Redis为什么快, since 2022-04-26

(2022.04.26 Tues)
Redis性能优异，是如下几个方面特性的结果

• 基于内存实现
• 高效数据结构
• 合理的数据编码
• 合适的线程模型

基于内存实现

数据存放在硬盘上和存放在内存中，I/O速度只差显而易见。DDR5标准内存的带宽可达32GB/s，而常见的USB3.0接口的理论最大带宽是625MB/s，最新的USB4的最大带宽为5GB/s。数据吞吐速度只差显著。

高效的数据结构

Redis中提供了如下几种数据结构，string、list、hash、set、zset。

String

String类型的实现采用动态字符串(SDS)。

在C语言中，一个字符串的结尾标志是\0符号。遍历一个字符串，直到遇到该符号，可断定已经到达字符串结尾。复杂度O(n)。在Redis中字符串的开头有一个字段记录字符串的长度，仅需读取该字段就可得知字符串长度。复杂度O(1)。

Redis的字符串使用了空间预分配的策略，类似于Python中list的生成策略。即创建字符串，当长度低于某个值，如1M，为字符串申请额外的相同长度的空间用于存放字符，比如字符长度5，则除了保存字符的5个长度，还会额外申请5个空间外加1个空白位置。当长度长于1M，则额外申请1M个空间。空间预分配策略用于字符串的append等操作。SDS 缩短时，并不会回收多余的内存空间，而是使用 free 字段将多出来的空间记录下来。如果后续有变更操作，直接使用 free 中记录的空间，减少了内存的分配。

List

List采用双向链表实现。每个list除了保存list本身的元素，还会以字段形式保存list长度，list的head指针和tail指针。而list中的每个元素，除了保存自身的值，还会保存prev和next两个指针。查询和添加的复杂度都为O(1)，获取List长度的复杂度为O(1)。

压缩列表：如果在一个链表节点中存储一个小数据，比如一个字节。那么对应的就要保存头节点，前后指针等额外的数据。它是经过特殊编码，专门为了提升内存使用效率设计的。所有的操作都是通过指针与解码出来的偏移量进行的，并且压缩列表的内存是连续分配的，遍历的速度很快。

字典

Redis数据库采用k-v格式保存数据，通过Hash的形式实现，读取和写入的复杂度O(1)。

合理的数据编码

String：存储数字采用int类型的编码，如果是非数字采用 raw 编码；
List：字符串长度及元素个数小于一定范围使用 ziplist 编码，任意条件不满足，则转化为 linkedlist 编码；
Hash：hash 对象保存的键值对内的键和值字符串长度小于一定值及键值对；
Set：保存元素为整数及元素个数小于一定范围使用 intset 编码，任意条件不满足，则使用 hashtable 编码；
Zset：zset 对象中保存的元素个数小于及成员长度小于一定值使用 ziplist 编码，任意条件不满足，则使用 skiplist 编码。

合适的线程模型

Redis使用单线程模型。多个用户从不同的客户端向Redis服务器发送请求，I/O多路复用程序监听多个socket，将这些请求全部推入一个队列中，之后交给单线程的文件分派器逐个执行。因此说Redis是单线程的。

分派器从Redis的数据库中查询数据因为内存访问速度极快，因此不需要通过多线程方式减少访问时间。

单线程的工作模式避免了多线程需要进行的CPU 上下文切换，这个操作比较耗时。Redis 基于内存实现的，对于内存来说没有上下文切换效率就是最高的。多次读写都在一个CPU 上，对于内存来说是最佳方案。

Reference

1 百度，Redis 为什么这么快？这才是最完美的回答，教育专家雷教授
2 知乎问题，redis为什么那么快