Redis为什么这么快？
概述
Redis的QPS可达10w/s，可简单看下图所示
基于内存实现
内存的速度比磁盘读写快很多。Redis是基于内存存储实现的数据库，相对于数据存储在磁盘的数据库，省去了I/O的消耗。类似Mysql等磁盘数据库，需要建立索引等方式加快查询速度，而Redis可直接操作内存。
高效的数据结构
MySQL索引为了提高效率，选择了B+树的数据结构。实现合理的数据结构，可以加快速度。Redis的数据结构和内部编码图：
SDS简单动态字符串
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
}
字符串长度处理
在C语言中，获取字符串长度需要遍历，时间复杂度是0(n)；在Redis，可直接获取len的值，时间复杂度是0(1)。
减少内存重新分配的次数
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。分配规则如下：
- len的长度<1M，则额外分配与len相同长度的未使用空间。比如len=50，重新分配后，buf 的实际长度会变为50(已使用空间)+50(额外空间)+1(空字符)=101。
- len的长度>1M，程序将分配1M未使用空间。
- 惰性空间释放：当SDS缩短时，不是回收多余内存空间，而是用free记录下多余空间。后续再有修改操作，直接使用free中的空间，减少内存分配。
哈希
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。
哈希表类似Java的HashMap，快速查找键值对复杂度为O(1)：通过key计算哈希值，找到对应的位置，然后定位entry，在entry找到对应数据
1.哈希冲突解决：使用链表哈希，当对不同的key哈希得到同一个哈希桶时，使用链表保存，彼此间指针连接
2.冲突激烈，哈希链表长解决：Redis 会对哈希表做rehash操作（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
跳跃表是Redis特有的数据结构，在链表的基础上，增加多级索引，提高查找效率。跳跃表的简单原理图如下:
- 每一层都是有序的链表，最底层链表包含了所有元素。
- 跳跃表支持平均O(logN),最坏 O(N)复杂度的节点查找，还可以通过顺序性操作批量处理节点。
压缩列表ziplist
压缩列表ziplist是列表键和字典键的的底层实现之一。由一系列特殊编码的内存块构成列表， 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：
- zlbytes ：记录整个压缩列表占用的内存字节数
- zltail: 尾节点至起始节点的偏移量
- zllen : 记录整个压缩列表包含的节点数量
- entryX: 压缩列表包含的各个节点
- zlend : 特殊值0xFF(十进制255)，用于标记压缩列表末端
由于内存是连续分配的，所以遍历速度很快。
合理的数据编码
Redis是使用对象（redisObject）来表示键值，Redis 中创建一个键值对时，至少创建两个对象，一个对象是键对象，另一个是值对象。
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。
- String：如果存储数字的话，是用int类型的编码;如果存储非数字，小于等于39字节的字符串，是embstr；大于39个字节，则是raw编码。
- List：如果列表的元素个数小于512个，列表每个元素的值都小于64字节（默认），使用ziplist编码，否则使用linkedlist编码
- Hash：哈希类型元素个数小于512个，所有值小于64字节的话，使用ziplist编码,否则使用hashtable编码。
- Set：如果集合中的元素都是整数且元素个数小于512个，使用intset编码，否则使用hashtable编码。
- Zset：当有序集合的元素个数小于128个，每个元素的值小于64字节时，使用ziplist编码，否则使用skiplist（跳跃表）编码
合理的线程模型
单线程模型：避免了线程上下文切换
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。
I/O 多路复用
- I/O ：网络 I/O
- 多路 ：多个网络连接
- 复用：复用同一个线程。
- IO多路复用是一种同步IO模型，实现了一个线程可以监视多个文件句柄；一旦某个文件句柄就绪，就能够通知应用程序进行相应的读写操作；而没有文件句柄就绪时,就会阻塞应用程序，交出cpu。
I/O 多路复用.png
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。
虚拟内存机制
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。
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。
