Redis全景图：
高性能主线：包括线程模型、数据结构、持久化、网络框架
高可靠主线，包括主从复制、哨兵机制
高可扩展主线，包括数据分片、负载均衡
缓存和集群是 Redis 的两大广泛的应用场景
Redis 是典型的键值数据库。
原先使用关系型数据库保存的数据，也可以用键值数据库保存。例如，用户信息（用户 ID、姓名、年龄、性别等）通常用关系型数据库保存，在这个场景下，一个用户 ID 对应一个用户信息集合，这就是键值数据库的一种数据模型，它同样能完成这一存储需求。但是，如果你只知道数据模型，而不了解操作接口的话，可能就无法理解，为什么在有些场景中，使用键值数据库又不合适了。例如，同样是在上面的场景中，如果你要对多个用户的年龄计算均值，键值数据库就无法完成了。因为它只提供简单的操作接口，无法支持复杂的聚合计算。
不同键值数据库支持的 key 类型一般差异不大，而 value 类型则有较大差别。我们在对键值数据库进行选型时，一个重要的考虑因素是它支持的 value 类型。例如，Memcached 支持的 value 类型仅为 String 类型，而 Redis 支持的 value 类型包括了 String、哈希表、列表、集合等。Redis 能够在实际业务场景中得到广泛的应用，就是得益于支持多样化类型的 value。
键值对保存在内存还是外存？
保存在内存的好处是读写很快，毕竟内存的访问速度一般都在百 ns 级别。但是，潜在的风险是一旦掉电，所有的数据都会丢失。保存在外存，虽然可以避免数据丢失，但是受限于磁盘的慢速读写（通常在几 ms 级别），键值数据库的整体性能会被拉低。Memcached 和 Redis 都是属于内存键值数据库
一个简单的SimpleKV键值数据库包括了访问框架、索引模块、操作模块和存储模块四部分（见下图）。
访问框架：
键值数据库也基本采用上述两种方式，例如，RocksDB 以动态链接库的形式使用，而 Memcached 和 Redis 则是通过网络框架访问。键值数据库网络框架接收到网络包，并按照相应的协议进行解析之后，就可以知道，客户端想写入一个键值对，并开始实际的写入流程。此时，我们会遇到一个系统设计上的问题，简单来说，就是网络连接的处理、网络请求的解析，以及数据存取的处理，是用一个线程、多个线程，还是多个进程来交互处理呢？该如何进行设计和取舍呢？我们一般把这个问题称为 I/O 模型设计。不同的 I/O 模型对键值数据库的性能和可扩展性会有不同的影响
索引模块：
索引的作用是让键值数据库根据 key 找到相应 value 的存储位置，进而执行操作。
索引的类型有很多，常见的有哈希表、B+ 树、字典树等。Memcached 和 Redis 采用哈希表作为 key-value 索引，而 RocksDB 则采用跳表作为内存中 key-value 的索引。内存键值数据库（例如 Redis）采用哈希表作为索引，很大一部分原因在于，其键值数据基本都是保存在内存中的，而内存的高性能随机访问特性可以很好地与哈希表 O(1) 的操作复杂度相匹配。对于 Redis 而言，很有意思的一点是，它的 value 支持多种类型，当我们通过索引找到一个 key 所对应的 value 后，仍然需要从 value 的复杂结构（例如集合和列表）中进一步找到我们实际需要的数据，这个操作的效率本身就依赖于它们的实现结构。
不同操作的具体逻辑是怎样的？
对于 GET/SCAN 操作而言，此时根据 value 的存储位置返回 value 值即可；
对于 PUT 一个新的键值对数据而言，SimpleKV 需要为该键值对分配内存空间；
对于 DELETE 操作，SimpleKV 需要删除键值对，并释放相应的内存空间，这个过程由分配器完成。
存储模块:
SimpleKV 采用了常用的内存分配器 glibc 的 malloc 和 free，因此，SimpleKV 并不需要特别考虑内存空间的管理问题。但是，键值数据库的键值对通常大小不一，glibc 的分配器在处理随机的大小内存块分配时，表现并不好。一旦保存的键值对数据规模过大，就可能会造成较严重的内存碎片问题。
SimpleKV 虽然依赖于内存保存数据，提供快速访问，但是 SimpleKV 重启后能快速重新提供服务就需要持久化功能。
Redis的架构模型：
从这张对比图中，我们可以看到，从 SimpleKV 演进到 Redis，有以下几个重要变化：
Redis 主要通过网络框架进行访问，而不再是动态库了，这也使得 Redis 可以作为一个基础性的网络服务进行访问，扩大了 Redis 的应用范围。
Redis 数据模型中的 value 类型很丰富，因此也带来了更多的操作接口，例如面向列表的 LPUSH/LPOP，面向集合的 SADD/SREM 等。在下节课，我将和你聊聊这些 value 模型背后的数据结构和操作效率，以及它们对 Redis 性能的影响。
Redis 的持久化模块能支持两种方式：日志（AOF）和快照（RDB），这两种持久化方式具有不同的优劣势，影响到 Redis 的访问性能和可靠性。
SimpleKV 是个简单的单机键值数据库，但是，Redis 支持高可靠集群和高可扩展集群，因此，Redis 中包含了相应的集群功能支撑模块。
问题点：
Redis不也是根据跳表作为索引的吗？
跳表是在Redis的value类型为有序集合时采用的一种数据组织结构，作为集合内元素的索引，在有序集合中进行操作时会依赖于跳表索引。但是从key找到value本身这个过程还是由全局哈希表索引完成。
数据结构：Redis 的快，到底是快在哪里呢？
一方面，它是内存数据库，所有操作都在内存上完成。另一方面，这要归功于它的数据结构String（字符串）、List（列表）、Hash（哈希）、Set（集合）和 Sorted Set（有序集合）。
底层数据结构一共有 6 种，分别是简单动态字符串、双向链表、压缩列表、哈希表、跳表和整数数组。它们和数据类型的对应关系如下图所示：
String 类型的底层实现只有一种数据结构，也就是简单动态字符串。而 List、Hash、Set 和 Sorted Set 这四种数据类型，都有两种底层实现结构。通常情况下，我们会把这四种类型称为集合类型，它们的特点是一个键对应了一个集合的数据。
键和值用什么结构组织？
Redis 使用了一个哈希表来保存所有键值对。其实就是一个数组，数组的每个元素称为一个哈希桶，每个哈希桶中保存了键值对数据。哈希桶中的元素保存的并不是值本身，而是指向具体值的指针。这也就是说，不管值是 String，还是集合类型，哈希桶中的元素都是指向它们的指针。哈希桶中的 entry 元素中保存了*key和*value指针，分别指向了实际的键和值，这样一来，即使值是一个集合，也可以通过*value指针被查找到。
因为这个哈希表保存了所有的键值对，所以，它称为全局哈希表。哈希表的最大好处很明显，就是让我们可以用 O(1) 的时间复杂度来快速查找到键值对——我们只需要计算键的哈希值，就可以知道它所对应的哈希桶位置，然后就可以访问相应的 entry 元素。这个查找过程主要依赖于哈希计算，和数据量的多少并没有直接关系。也就是说，不管哈希表里有 10 万个键还是 100 万个键，我们只需要一次计算就能找到相应的键。
为什么哈希表操作变慢了？
哈希表的冲突问题和 rehash 可能带来的操作阻塞。Redis 解决哈希冲突的方式，就是链式哈希。链式哈希也很容易理解，就是指同一个哈希桶中的多个元素用一个链表来保存，它们之间依次用指针连接。如果链过长，Redis 会对哈希表做 rehash 操作。rehash 也就是增加现有的哈希桶数量。
Redis 开始执行 rehash，这个过程分为三步：
1.给哈希表 2 分配更大的空间，例如是当前哈希表 1 大小的两倍；
2.把哈希表 1 中的数据重新映射并拷贝到哈希表 2 中；
3.释放哈希表 1 的空间。
这个过程看似简单，但是第二步涉及大量的数据拷贝，如果一次性把哈希表 1 中的数据都迁移完，会造成 Redis 线程阻塞，无法服务其他请求。此时，Redis 就无法快速访问数据了。为了避免这个问题，Redis 采用了渐进式 rehash。简单来说就是在第二步拷贝数据时，Redis 仍然正常处理客户端请求，每处理一个请求时，从哈希表 1 中的第一个索引位置开始，顺带着将这个索引位置上的所有 entries 拷贝到哈希表 2 中；等处理下一个请求时，再顺带拷贝哈希表 1 中的下一个索引位置的 entries。
集合数据操作效率：
和 String 类型不同，一个集合类型的值，第一步是通过全局哈希表找到对应的哈希桶位置，第二步是在集合中再增删改查。集合类型的底层数据结构主要有 5 种：整数数组、双向链表、哈希表、压缩列表和跳表。
压缩列表：
实际上类似于一个数组，数组中的每一个元素都对应保存一个数据。和数组不同的是，压缩列表在表头有三个字段 zlbytes、zltail 和 zllen，分别表示列表长度、列表尾的偏移量和列表中的 entry 个数；压缩列表在表尾还有一个 zlend，表示列表结束。在压缩列表中，如果我们要查找定位第一个元素和最后一个元素，可以通过表头三个字段的长度直接定位，复杂度是 O(1)。而查找其他元素时，就没有这么高效了，只能逐个查找，此时的复杂度就是 O(N) 了。
跳表：
有序链表只能逐一查找元素，导致操作起来非常缓慢，于是就出现了跳表。具体来说，跳表在链表的基础上，增加了多级索引，通过索引位置的几个跳转，实现数据的快速定位
可以看到，这个查找过程就是在多级索引上跳来跳去，最后定位到元素。这也正好符合“跳”表的叫法。当数据量很大时，跳表的查找复杂度就是 O(logN)。
总结：
Redis 之所以能快速操作键值对，一方面是因为 O(1) 复杂度的哈希表被广泛使用，包括 String、Hash 和 Set，它们的操作复杂度基本由哈希表决定，另一方面，Sorted Set 也采用了 O(logN) 复杂度的跳表。不过，集合类型的范围操作，因为要遍历底层数据结构，复杂度通常是 O(N)。这里建议是：用其他命令来替代，例如可以用 SCAN 来代替，避免在 Redis 内部产生费时的全集合遍历操作。
高性能IO模型：为什么单线程Redis能那么快？
Redis 是单线程，主要是指 Redis 的网络 IO 和键值对读写是由一个线程来完成的，这也是 Redis 对外提供键值存储服务的主要流程。但 Redis 的其他功能，比如持久化、异步删除、集群数据同步等，其实是由额外的线程执行的。
Redis 为什么用单线程？
假设 Redis 采用多线程设计，如下图所示，现在有两个线程 A 和 B，线程 A 对一个 List 做 LPUSH 操作，并对队列长度加 1。同时，线程 B 对该 List 执行 LPOP 操作，并对队列长度减 1。为了保证队列长度的正确性，Redis 需要让线程 A 和 B 的 LPUSH 和 LPOP 串行执行，这样一来，Redis 可以无误地记录它们对 List 长度的修改。否则，我们可能就会得到错误的长度结果。这就是多线程编程模式面临的共享资源的并发访问控制问题。采用多线程开发一般会引入同步原语来保护共享资源的并发访问，这也会降低系统代码的易调试性和可维护性。为了避免这些问题，Redis 直接采用了单线程模式。
单线程 Redis 为什么那么快？
多路复用机制。
Redis基本IO模型：
在这里的网络 IO 操作中，有潜在的阻塞点，分别是 accept() 和 recv()。当 Redis 监听到一个客户端有连接请求，但一直未能成功建立起连接时，会阻塞在 accept() 函数这里，导致其他客户端无法和 Redis 建立连接。不过，socket 网络模型本身支持非阻塞模式。Socket 网络模型的非阻塞模式设置，主要体现在三个关键的函数调用上，如果想要使用 socket 非阻塞模式，就必须要了解这三个函数的调用返回类型和设置模式。
在 socket 模型中，不同操作调用后会返回不同的套接字类型。socket() 方法会返回主动套接字，然后调用 listen() 方法，将主动套接字转化为监听套接字，此时，可以监听来自客户端的连接请求。最后，调用 accept() 方法接收到达的客户端连接，并返回已连接套接字。
针对监听套接字，我们可以设置非阻塞模式：当 Redis 调用 accept() 但一直未有连接请求到达时，Redis 线程可以返回处理其他操作，而不用一直等待。但是，你要注意的是，调用 accept() 时，已经存在监听套接字了。虽然 Redis 线程可以不用继续等待，但是总得有机制继续在监听套接字上等待后续连接请求，并在有请求时通知 Redis。到此，Linux 中的 IO 多路复用机制就要登场了
基于多路复用的Redis高性能IO模型：
Linux 中的 IO 多路复用机制是指一个线程处理多个 IO 流，就是select/epoll 机制。在 Redis 只运行单线程的情况下，该机制允许内核中，同时存在多个监听套接字和已连接套接字。一旦有请求到达，就会交给 Redis 线程处理，这就实现了一个 Redis 线程处理多个 IO 流的效果。
图中的多个 FD 就是刚才所说的多个套接字。Redis 网络框架调用 epoll 机制，让内核监听这些套接字。
为了在请求到达时能通知到 Redis 线程，select/epoll 提供了基于事件的回调机制，即针对不同事件的发生，调用相应的处理函数。这些事件会被放进一个事件队列，Redis 单线程对该事件队列不断进行处理。这样一来，Redis 无需一直轮询是否有请求实际发生，这就可以避免造成 CPU 资源浪费。同时，Redis 在对事件队列中的事件进行处理时，会调用相应的处理函数，这就实现了基于事件的回调。因为 Redis 一直在对事件队列进行处理，所以能及时响应客户端请求，提升 Redis 的响应性能。
附加：2020 年 5 月，Redis 6.0 的稳定版发布了，Redis 6.0 中提出了多线程模型。
AOF日志：宕机了，Redis如何避免数据丢失？
Redis把后端数据库中的数据存储在内存中，一旦服务器宕机，内存中的数据将全部丢失。所以，对 Redis 来说，实现数据的持久化，避免从后端数据库中进行恢复，是至关重要的。目前，Redis 的持久化主要有两大机制，即 AOF（Append Only File）日志和 RDB 快照。
AOF 日志是如何实现的？
我们比较熟悉的是数据库的写前日志（Write Ahead Log, WAL），在实际写数据前，先把修改的数据记到日志文件中，以便故障时进行恢复。不过，AOF 日志正好相反，它是写后日志，“写后”的意思是 Redis 是先执行命令，把数据写入内存，然后才记录日志，如下图所示：
传统数据库的日志，例如 redo log（重做日志），记录的是修改后的数据，而 AOF 里记录的是 Redis 收到的每一条命令，这些命令是以文本形式保存的。只有命令能执行成功，才会被记录到日志中，否则，系统就会直接向客户端报错。如果先记日志再执行命令的话，日志中就有可能记录了错误的命令，Redis 在使用日志恢复数据时，就可能会出错。除此之外，AOF 还有一个好处：它是在命令执行后才记录日志，所以不会阻塞当前的写操作。
AOF 两个潜在的风险？
首先，如果刚执行完一个命令，还没有来得及记日志就宕机了，那么这个命令和相应的数据就有丢失的风险。如果此时 Redis 是用作缓存，还可以从后端数据库重新读入数据进行恢复，但是，如果 Redis 是直接用作数据库的话，此时，因为命令没有记入日志，所以就无法用日志进行恢复了。
其次，AOF 虽然避免了对当前命令的阻塞，但可能会给下一个操作带来阻塞风险。这是因为，AOF 日志也是在主线程中执行的，如果在把日志文件写入磁盘时，磁盘写压力大，就会导致写盘很慢，进而导致后续的操作也无法执行了。所以要控制AOF 日志写回磁盘的时机。
AOF 写回磁盘的时机？
AOF 机制给我们提供了三个选择，也就是 AOF 配置项 appendfsync 的三个可选值：
1.Always，同步写回：每个写命令执行完，立马同步地将日志写回磁盘；
2.Everysec，每秒写回：每个写命令执行完，只是先把日志写到 AOF 文件的内存缓冲区，每隔一秒把缓冲区中的内容写入磁盘；
3.No，操作系统控制的写回：每个写命令执行完，只是先把日志写到 AOF 文件的内存缓冲区，由操作系统决定何时将缓冲区内容写回磁盘。
针对避免主线程阻塞和减少数据丢失问题，这三种写回策略都无法做到两全其美
总结：想要获得高性能，就选择 No 策略；如果想要得到高可靠性保证，就选择 Always 策略；如果允许数据有一点丢失，又希望性能别受太大影响的话，那么就选择 Everysec 策略。
日志文件太大了怎么办？
AOF 文件会越来越大。这也就意味着，我们一定要小心 AOF 文件过大带来的性能问题。就需要AOF 重写机制。
AOF 重写机制就是在重写时，Redis 根据数据库的现状创建一个新的 AOF 文件，当一个键值对被多条写命令反复修改时，AOF 文件会记录相应的多条命令。但是，在重写的时候，是根据这个键值对当前的最新状态，为它生成对应的写入命令。在日志恢复时，只用执行这条命令，就可以直接完成这个键值对的写入了。下面这张图就是一个例子：
AOF 重写会阻塞吗?
和 AOF 日志由主线程写回不同，重写过程是由后台子进程 bgrewriteaof 来完成的，这也是为了避免阻塞主线程，导致数据库性能下降。
每次 AOF 重写时，Redis 会先执行一个内存拷贝，用于重写；然后，使用两个日志保证在重写过程中，新写入的数据不会丢失。而且，因为 Redis 采用额外的线程进行数据重写，所以，这个过程并不会阻塞主线程。
小结：
Redis 用于避免数据丢失的 AOF 方法提供了 AOF 日志的三种写回策略，分别是 Always、Everysec 和 No，这三种策略在可靠性上是从高到低，而在性能上则是从低到高。为了避免日志文件过大，Redis 还提供了 AOF 重写机制，直接根据数据库里数据的最新状态，生成这些数据的插入命令，作为新日志。这个过程通过后台线程完成，避免了对主线程的阻塞。
问题1，AOF 日志重写的时候，是由 bgrewriteaof 子进程来完成的，不用主线程参与，我们今天说的非阻塞也是指子进程的执行不阻塞主线程。但是，你觉得，这个重写过程有没有其他潜在的阻塞风险呢？如果有的话，会在哪里阻塞？
Redis采用fork子进程重写AOF文件时，潜在的阻塞风险包括：fork子进程 和 AOF重写过程中父进程产生写入的场景，下面依次介绍。
a、fork子进程，fork这个瞬间一定是会阻塞主线程的（注意，fork时并不会一次性拷贝所有内存数据给子进程，老师文章写的是拷贝所有内存数据给子进程，我个人认为是有歧义的），fork采用操作系统提供的写实复制(Copy On Write)机制，就是为了避免一次性拷贝大量内存数据给子进程造成的长时间阻塞问题，但fork子进程需要拷贝进程必要的数据结构，其中有一项就是拷贝内存页表（虚拟内存和物理内存的映射索引表），这个拷贝过程会消耗大量CPU资源，拷贝完成之前整个进程是会阻塞的，阻塞时间取决于整个实例的内存大小，实例越大，内存页表越大，fork阻塞时间越久。拷贝内存页表完成后，子进程与父进程指向相同的内存地址空间，也就是说此时虽然产生了子进程，但是并没有申请与父进程相同的内存大小。那什么时候父子进程才会真正内存分离呢？“写实复制”顾名思义，就是在写发生时，才真正拷贝内存真正的数据，这个过程中，父进程也可能会产生阻塞的风险，就是下面介绍的场景。
b、fork出的子进程指向与父进程相同的内存地址空间，此时子进程就可以执行AOF重写，把内存中的所有数据写入到AOF文件中。但是此时父进程依旧是会有流量写入的，如果父进程操作的是一个已经存在的key，那么这个时候父进程就会真正拷贝这个key对应的内存数据，申请新的内存空间，这样逐渐地，父子进程内存数据开始分离，父子进程逐渐拥有各自独立的内存空间。因为内存分配是以页为单位进行分配的，默认4k，如果父进程此时操作的是一个bigkey，重新申请大块内存耗时会变长，可能会产阻塞风险。另外，如果操作系统开启了内存大页机制(Huge Page，页面大小2M)，那么父进程申请内存时阻塞的概率将会大大提高，所以在Redis机器上需要关闭Huge Page机制。Redis每次fork生成RDB或AOF重写完成后，都可以在Redis log中看到父进程重新申请了多大的内存空间。
问题2.AOF 重写也有一个重写日志，为什么它不共享使用 AOF 本身的日志呢？
AOF重写不复用AOF本身的日志，一个原因是父子进程写同一个文件必然会产生竞争问题，控制竞争就意味着会影响父进程的性能。二是如果AOF重写过程中失败了，那么原本的AOF文件相当于被污染了，无法做恢复使用。所以Redis AOF重写一个新文件，重写失败的话，直接删除这个文件就好了，不会对原先的AOF文件产生影响。等重写完成之后，直接替换旧文件即可。
