Redis 基本架构：一个键值数据库包含什么？
我们知道，Redis 是典型的键值数据库，所以今天，我准备手把手地带你构建一个简单的键值数据库。
为啥要这么做呢？还记得我在开篇词说过吗？Redis 本身比较复杂，如果我们一上来就直接研究一个个具体的技术点，比如“单线程”“缓存”等，虽然可以直接学习到具体的内容，甚至立马就能解决一些小问题，但是这样学，很容易迷失在细枝末节里。
从我自己的经验来看，更好的学习方式就是先建立起“系统观”。这也就是说，如果我们想要深入理解和优化 Redis，就必须要对它的总体架构和关键模块有一个全局的认知，然后再深入到具体的技术点。这也是我们这门课坚持的一种讲课方式。
我相信，经过这样一个过程，我们在实践中定位和解决问题时，就会轻松很多，而且你还可以把这个学习方式迁移到其他的学习活动上。我希望你能彻底掌握这个学习思路，让自己的学习、工作效率更高。
说远了，还是回到我们今天的课程主题上。今天，在构造这个简单的键值数据库时，我们只需要关注整体架构和核心模块。这就相当于医学上在正式解剖人体之前，会先解剖一只小白鼠。我们通过剖析这个最简单的键值数据库，来迅速抓住学习和调优 Redis 的关键。
我把这个简单的键值数据库称为 SimpleKV。需要注意的是，GitHub 上也有一个名为 SimpleKV 的项目，这跟我说的 SimpleKV 不是一回事，我说的只是一个具有关键组件的键值数据库架构。
好了，你是不是已经准备好了，那我们就一起来构造 SimpleKV 吧。
开始构造 SimpleKV 时，首先就要考虑里面可以存什么样的数据，对数据可以做什么样的操作，也就是数据模型和操作接口。它们看似简单，实际上却是我们理解 Redis 经常被用于缓存、秒杀、分布式锁等场景的重要基础。
理解了数据模型，你就会明白，为什么在有些场景下，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。
那么，对于 Redis 来说，它到底能做什么，不能做什么呢？只有先搞懂它的数据模型和操作接口，我们才能真正把“这块好钢用在刀刃上”。
接下来，我们就先来看可以存哪些数据。
可以存哪些数据？
对于键值数据库而言，基本的数据模型是 key-value 模型。 例如，“hello”: “world”就是一个基本的 KV 对，其中，“hello”是 key，“world”是 value。SimpleKV 也不例外。在 SimpleKV 中，key 是 String 类型，而 value 是基本数据类型，例如 String、整型等。
但是，SimpleKV 毕竟是一个简单的键值数据库，对于实际生产环境中的键值数据库来说，value 类型还可以是复杂类型。
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。
从使用的角度来说，不同 value 类型的实现，不仅可以支撑不同业务的数据需求，而且也隐含着不同数据结构在性能、空间效率等方面的差异，从而导致不同的 value 操作之间存在着差异。
只有深入地理解了这背后的原理，我们才能在选择 Redis value 类型和优化 Redis 性能时，做到游刃有余。
可以对数据做什么操作？
知道了数据模型，接下来，我们就要看它对数据的基本操作了。SimpleKV 是一个简单的键值数据库，因此，基本操作无外乎增删改查。
我们先来了解下 SimpleKV 需要支持的 3 种基本操作，即 PUT、GET 和 DELETE。
- PUT：新写入或更新一个 key-value 对
- GET：根据一个 key 读取相应的 value 值
- DELETE：根据一个 key 删除整个 key-value 对
需要注意的是，有些键值数据库的新写 / 更新操作叫 SET。新写入和更新虽然是用一个操作接口，但在实际执行时，会根据 key 是否存在而执行相应的新写或更新流程。
在实际的业务场景中，我们经常会碰到这种情况：查询一个用户在一段时间内的访问记录。这种操作在键值数据库中属于 SCAN 操作，即根据一段 key 的范围返回相应的 value 值。因此，PUT/GET/DELETE/SCAN 是一个键值数据库的基本操作集合。
此外，实际业务场景通常还有更加丰富的需求，例如，在黑白名单应用中，需要判断某个用户是否存在。如果将该用户的 ID 作为 key，那么，可以增加 EXISTS 操作接口，用于判断某个 key 是否存在。对于一个具体的键值数据库而言，你可以通过查看操作文档，了解其详细的操作接口。
当然，当一个键值数据库的 value 类型多样化时，就需要包含相应的操作接口。例如，Redis 的 value 有列表类型，因此它的接口就要包括对列表 value 的操作。后面我也会具体介绍，不同操作对 Redis 访问效率的影响。
说到这儿呢，数据模型和操作接口我们就构造完成了，这是我们的基础工作。接下来呢，我们就要更进一步，考虑一个非常重要的设计问题：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。
因此，如何进行设计选择，我们通常需要考虑键值数据库的主要应用场景。比如，缓存场景下的数据需要能快速访问但允许丢失，那么，用于此场景的键值数据库通常采用内存保存键值数据。Memcached 和 Redis 都是属于内存键值数据库。对于 Redis 而言，缓存是非常重要的一个应用场景。后面我会重点介绍 Redis 作为缓存使用的关键机制、优势，以及常见的优化方法。
为了和 Redis 保持一致，我们的 SimpleKV 就采用内存保存键值数据。接下来，我们来了解下 SimpleKV 的基本组件。
大体来说，一个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）。接下来，我们就从这四个部分入手，继续构建我们的 SimpleKV。
访问框架、索引模块、操作模块和存储模块
大体来说，一个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）。接下来，我们就从这四个部分入手，继续构建我们的 SimpleKV。
采用什么访问模式？
访问模式通常有两种：
- 一种是通过函数库调用的方式供外部应用使用，比如，上图中的 libsimplekv.so，就是以动态链接库的形式链接到我们自己的程序中，提供键值存储功能
- 另一种是通过网络框架以 Socket 通信的形式对外提供键值对操作，这种形式可以提供广泛的键值存储服务。在上图中，我们可以看到，网络框架中包括 Socket Server 和协议解析。
不同的键值数据库服务器和客户端交互的协议并不相同，我们在对键值数据库进行二次开发、新增功能时，必须要了解和掌握键值数据库的通信协议，这样才能开发出兼容的客户端。
实际的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。后面我还会给你介绍 Redis 现有的客户端和通信协议。
通过网络框架提供键值存储服务，一方面扩大了键值数据库的受用面，但另一方面，也给键值数据库的性能、运行模型提供了不同的设计选择，带来了一些潜在的问题。
举个例子，当客户端发送一个如下的命令后，该命令会被封装在网络包中发送给键值数据库：
PUT hello world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。
举个例子，如果一个线程既要处理网络连接、解析请求，又要完成数据存取，一旦某一步操作发生阻塞，整个线程就会阻塞住，这就降低了系统响应速度。如果我们采用不同线程处理不同操作，那么，某个线程被阻塞时，其他线程还能正常运行。但是，不同线程间如果需要访问共享资源，那又会产生线程竞争，也会影响系统效率，这又该怎么办呢？所以，这的确是个“两难”选择，需要我们进行精心的设计。
你可能经常听说 Redis 是单线程，那么，Redis 又是如何做到“单线程，高性能”的呢？后面我再和你好好聊一聊。
如何定位键值对的位置？
当 SimpleKV 解析了客户端发来的请求，知道了要进行的键值对操作，此时，SimpleKV 需要查找所要操作的键值对是否存在，这依赖于键值数据库的索引模块。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。不同的索引结构在性能、空间消耗、并发控制等方面具有不同的特征。如果你看过其他键值数据库，就会发现，不同键值数据库采用的索引并不相同，例如，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。
一般而言，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。
Redis 采用一些常见的高效索引结构作为某些 value 类型的底层数据结构，这一技术路线为 Redis 实现高性能访问提供了良好的支撑。