大家好呀,我是捡田螺的小男孩。我们都知道Redis很快,它QPS可达10万(每秒请求数)。Redis为什么这么快呢,本文将跟大家一起学习。
我们都知道内存读写是比磁盘读写快很多的。Redis是基于内存存储实现的数据库,相对于数据存在磁盘的数据库,就省去磁盘磁盘I/O的消耗。MySQL等磁盘数据库,需要建立索引来加快查询效率,而Redis数据存放在内存,直接操作内存,所以就很快。
我们知道,MySQL索引为了提高效率,选择了B+树的数据结构。其实合理的数据结构,就是可以让你的应用/程序更快。先看下Redis的数据结构&内部编码图:
struct sdshdr { //SDS简单动态字符串
int len; //记录buf中已使用的空间
int free; // buf中空闲空间长度
char buf[]; //存储的实际内容
}
在C语言中,要获取捡田螺的小男孩
这个字符串的长度,需要从头开始遍历,复杂度为O(n); 在Redis中, 已经有一个len字段记录当前字符串的长度啦,直接获取即可,时间复杂度为O(1)。
在C语言中,修改一个字符串,需要重新分配内存,修改越频繁,内存分配就越频繁,而分配内存是会消耗性能的。而在Redis中,SDS提供了两种优化策略:空间预分配和惰性空间释放。
空间预分配
当SDS简单动态字符串修改和空间扩充时,除了分配必需的内存空间,还会额外分配未使用的空间。分配规则是酱紫的:
★
”
惰性空间释放
当SDS缩短时,不是回收多余的内存空间,而是用free记录下多余的空间。后续再有修改操作,直接使用free中的空间,减少内存分配。
Redis 作为一个K-V的内存数据库,它使用用一张全局的哈希来保存所有的键值对。这张哈希表,有多个哈希桶组成,哈希桶中的entry元素保存了*key
和*value
指针,其中*key
指向了实际的键,*value
指向了实际的值。
哈希表查找速率很快的,有点类似于Java中的HashMap,它让我们在O(1) 的时间复杂度快速找到键值对。首先通过key计算哈希值,找到对应的哈希桶位置,然后定位到entry,在entry找到对应的数据。
有些小伙伴可能会有疑问:你往哈希表中写入大量数据时,不是会遇到哈希冲突问题嘛,那效率就会降下来啦。
★哈希冲突: 通过不同的key,计算出一样的哈希值,导致落在同一个哈希桶中。 ”
Redis为了解决哈希冲突,采用了链式哈希。链式哈希是指同一个哈希桶中,多个元素用一个链表来保存,它们之间依次用指针连接。
有些小伙伴可能还会有疑问:哈希冲突链上的元素只能通过指针逐一查找再操作。当往哈希表插入数据很多,冲突也会越多,冲突链表就会越长,那查询效率就会降低了。
为了保持高效,Redis 会对哈希表做rehash操作,也就是增加哈希桶,减少冲突。为了rehash更高效,Redis还默认使用了两个全局哈希表,一个用于当前使用,称为主哈希表,一个用于扩容,称为备用哈希表。
跳跃表是Redis特有的数据结构,它其实就是在链表的基础上,增加多级索引,以提高查找效率。跳跃表的简单原理图如下:
压缩列表ziplist是列表键和字典键的的底层实现之一。它是由一系列特殊编码的内存块构成的列表, 一个ziplist可以包含多个entry, 每个entry可以保存一个长度受限的字符数组或者整数,如下:
由于内存是连续分配的,所以遍历速度很快。。
Redis支持多种数据基本类型,每种基本类型对应不同的数据结构,每种数据结构对应不一样的编码。为了提高性能,Redis设计者总结出,数据结构最适合的编码搭配。
Redis是使用对象(redisObject)来表示数据库中的键值,当我们在 Redis 中创建一个键值对时,至少创建两个对象,一个对象是用做键值对的键对象,另一个是键值对的值对象。
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typedef struct redisObject{
//类型
unsigned type:4;
//编码
unsigned encoding:4;
//指向底层数据结构的指针
void *ptr;
//...
}robj;
redisObject中,type 对应的是对象类型,包含String对象、List对象、Hash对象、Set对象、zset对象。encoding 对应的是编码。
Redis是单线程的,其实是指Redis的网络IO和键值对读写是由一个线程来完成的。但Redis的其他功能,比如持久化、异步删除、集群数据同步等等,实际是由额外的线程执行的。
Redis的单线程模型,避免了CPU不必要的上下文切换和竞争锁的消耗。也正因为是单线程,如果某个命令执行过长(如hgetall命令),会造成阻塞。Redis是面向快速执行场景的内存数据库,所以要慎用如lrange和smembers、hgetall等命令。
什么是上下文切换?举个粟子:
★
”
什么是I/O多路复用?
★多路I/O复用技术可以让单个线程高效的处理多个连接请求,而Redis使用用epoll作为I/O多路复用技术的实现。并且Redis自身的事件处理模型将epoll中的连接、读写、关闭都转换为事件,不在网络I/O上浪费过多的时间。 ”
Redis直接自己构建了VM机制 ,不会像一般的系统会调用系统函数处理,会浪费一定的时间去移动和请求。
Redis的虚拟内存机制是啥呢?
★虚拟内存机制就是暂时把不经常访问的数据(冷数据)从内存交换到磁盘中,从而腾出宝贵的内存空间用于其它需要访问的数据(热数据)。通过VM功能可以实现冷热数据分离,使热数据仍在内存中、冷数据保存到磁盘。这样就可以避免因为内存不足而造成访问速度下降的问题。 ”
参考资料
[1]
Redis之VM机制: https://www.codenong.com/cs106843764/
[2]
一文揭秘单线程的Redis为什么这么快?: https://zhuanlan.zhihu.com/p/57089960
[3]
洞察|Redis是单线程的,但Redis为什么这么快?: https://zhuanlan.zhihu.com/p/42272979
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