跟着「码哥字节」一起吃透 Redis，深层次的掌握 Redis 核心原理以及实战技巧。一起搭建一套完整的知识框架，学会全局观去整理整个知识体系。
系统观其实是至关重要的，从某种程度上说，在解决问题时，拥有了系统观，就意味着你能有依据、有章法地定位和解决问题。
应用维度：缓存使用、集群运用、数据结构的巧妙使用
系统维度：可以归类为三高
- 高性能：线程模型、网络 IO 模型、数据结构、持久化机制；
- 高可用：主从复制、哨兵集群、Cluster 分片集群；
- 高拓展：负载均衡
Redis 系列篇章围绕如下思维导图展开，这次从 《Redis 唯快不破的秘密》一起探索 Redis 的核心知识点。
很多人仅仅只是知道基于内存实现，其他核心的原因模凌两可。今日跟着「码哥字节」一起探索真正快的原因，做一个唯快不破的真男人！
Redis 为了高性能，从各方各面都进行了优化，下次小伙伴们面试的时候，面试官问 Redis 性能为什么如此高，可不能傻傻的只说单线程和内存存储了。
根据官方数据，Redis 的 QPS 可以达到约 100000（每秒请求数），有兴趣的可以参考官方的基准程序测试《How fast is Redis？》，地址：https://redis.io/topics/benchmarks
横轴是连接数，纵轴是 QPS。此时，这张图反映了一个数量级，希望大家在面试的时候可以正确的描述出来，不要问你的时候，你回答的数量级相差甚远！
Redis 将数据存储在内存中，读写操作不会因为磁盘的 IO 速度限制，所以速度飞一般的感觉！
最后以一张图量化系统的各种延时时间（部分数据引用 Brendan Gregg）
回答正确，这里所说的数据结构并不是 Redis 提供给我们使用的 5 种数据类型：String、List、Hash、Set、SortedSet。
在 Redis 中，常用的 5 种数据类型和应用场景如下：
- String：缓存、计数器、分布式锁等。
- List：链表、队列、微博关注人时间轴列表等。
- Hash：用户信息、Hash 表等。
- Set：去重、赞、踩、共同好友等。
- Zset：访问量排行榜、点击量排行榜等。
上面的应该叫做 Redis 支持的数据类型，也就是数据的保存形式。「码哥字节」要说的是针对这 5 种数据类型，底层都运用了哪些高效的数据结构来支持。
整个数据库就是一个全局哈希表，而哈希表的时间复杂度是 O(1)，只需要计算每个键的哈希值，便知道对应的哈希桶位置，定位桶里面的 entry 找到对应数据，这个也是 Redis 快的原因之一。
那 Hash 冲突怎么办？
当写入 Redis 的数据越来越多的时候，哈希冲突不可避免，会出现不同的 key 计算出一样的哈希值。
Redis 通过链式哈希解决冲突：也就是同一个 桶里面的元素使用链表保存。但是当链表过长就会导致查找性能变差可能，所以 Redis 为了追求快，使用了两个全局哈希表。用于 rehash 操作，增加现有的哈希桶数量，减少哈希冲突。
开始默认使用 hash 表 1 保存键值对数据，哈希表 2 此刻没有分配空间。当数据越来多触发 rehash 操作，则执行以下操作：
- 给 hash 表 2 分配更大的空间；
- 将 hash 表 1 的数据重新映射拷贝到 hash 表 2 中；
- 释放 hash 表 1 的空间。
值得注意的是，将 hash 表 1 的数据重新映射到 hash 表 2 的过程中并不是一次性的，这样会造成 Redis 阻塞，无法提供服务。
而是采用了渐进式 rehash，每次处理客户端请求的时候，先从 hash 表 1 中第一个索引开始，将这个位置的 所有数据拷贝到 hash 表 2 中，就这样将 rehash 分散到多次请求过程中，避免耗时阻塞。
C 语言中字符串的获取 「MageByte」的长度，要从头开始遍历，直到 「\0」为止，Redis 作为唯快不破的男人是不能忍受的。
C 语言字符串结构与 SDS 字符串结构对比图如下所示：
SDS 中 len 保存这字符串的长度，O(1) 时间复杂度。
分配规则如下：如果对 SDS 修改后，len 的长度小于 1M，那么程序将分配和 len 相同长度的未使用空间。举个例子，如果 len=10，重新分配后，buf 的实际长度会变为 10(已使用空间)+10(额外空间)+1(空字符)=21。如果对 SDS 修改后 len 长度大于 1M，那么程序将分配 1M 的未使用空间。
二进制数据并不是规则的字符串格式，其中会包含一些特殊的字符如 ‘\0’，在 C 中遇到 ‘\0’ 则表示字符串的结束，但在 SDS 中，标志字符串结束的是 len 属性。
当一个列表只有少量数据的时候，并且每个列表项要么就是小整数值，要么就是长度比较短的字符串，那么 Redis 就会使用压缩列表来做列表键的底层实现。
ziplist 是由一系列特殊编码的连续内存块组成的顺序型的数据结构，ziplist 中可以包含多个 entry 节点，每个节点可以存放整数或者字符串。
ziplist 在表头有三个字段 zlbytes、zltail 和 zllen，分别表示列表占用字节数、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。
struct ziplist<T> {
int32 zlbytes; // 整个压缩列表占用字节数
int32 zltail_offset; // 最后一个元素距离压缩列表起始位置的偏移量，用于快速定位到最后一个节点
int16 zllength; // 元素个数
T[] entries; // 元素内容列表，挨个挨个紧凑存储
int8 zlend; // 标志压缩列表的结束，值恒为 0xFF
}
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)
Redis 的链表实现的特性可以总结如下：
- 双端：链表节点带有 prev 和 next 指针，获取某个节点的前置节点和后置节点的复杂度都是 O（1）。
- 无环：表头节点的 prev 指针和表尾节点的 next 指针都指向 NULL，对链表的访问以 NULL 为终点。
- 带表头指针和表尾指针：通过 list 结构的 head 指针和 tail 指针，程序获取链表的表头节点和表尾节点的复杂度为 O（1）。
- 带链表长度计数器：程序使用 list 结构的 len 属性来对 list 持有的链表节点进行计数，程序获取链表中节点数量的复杂度为 O（1）。
- 多态：链表节点使用 void* 指针来保存节点值，并且可以通过 list 结构的 dup、free、match 三个属性为节点值设置类型特定函数，所以链表可以用于保存各种不同类型的值。
后续版本对列表数据结构进行了改造，使用 quicklist 代替了 ziplist 和 linkedlist。
quicklist 是 ziplist 和 linkedlist 的混合体，它将 linkedlist 按段切分，每一段使用 ziplist 来紧凑存储，多个 ziplist 之间使用双向指针串接起来。
这也是为何 Redis 快的原因，不放过任何一个可以提升性能的细节。
跳跃表（skiplist）是一种有序数据结构，它通过在每个节点中维持多个指向其他节点的指针，从而达到快速访问节点的目的。
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来批量处理节点。
跳表在链表的基础上，增加了多层级索引，通过索引位置的几个跳转，实现数据的快速定位，如下图所示：
当需要查找 40 这个元素需要经历 三次查找。
typedef struct intset{
//编码方式
uint32_t encoding;
//集合包含的元素数量
uint32_t length;
//保存元素的数组
int8_t contents[];
}intset;
contents 数组是整数集合的底层实现：整数集合的每个元素都是 contents 数组的一个数组项（item），各个项在数组中按值的大小从小到大有序地排列，并且数组中不包含任何重复项。length 属性记录了整数集合包含的元素数量，也即是 contents 数组的长度。
例如我们执行 SET MSG XXX 时，键值对的键是一个包含了字符串“MSG“的对象，键值对的值对象是包含字符串”XXX”的对象。
redisObject
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;
其中 type 字段记录了对象的类型，包含字符串对象、列表对象、哈希对象、集合对象、有序集合对象。
对于每一种数据类型来说，底层的支持可能是多种数据结构，什么时候使用哪种数据结构，这就涉及到了编码转化的问题。
那我们就来看看，不同的数据类型是如何进行编码转化的：
String：存储数字的话，采用 int 类型的编码，如果是非数字的话，采用 raw 编码；
List：List 对象的编码可以是 ziplist 或 linkedlist，字符串长度 < 64 字节且元素个数 < 512 使用 ziplist 编码，否则转化为 linkedlist 编码；
注意：这两个条件是可以修改的，在 redis.conf 中：
list-max-ziplist-entries 512
list-max-ziplist-value 64
Hash：Hash 对象的编码可以是 ziplist 或 hashtable。
当 Hash 对象同时满足以下两个条件时，Hash 对象采用 ziplist 编码：
- Hash 对象保存的所有键值对的键和值的字符串长度均小于 64 字节。
- Hash 对象保存的键值对数量小于 512 个。
否则就是 hashtable 编码。
Set：Set 对象的编码可以是 intset 或 hashtable，intset 编码的对象使用整数集合作为底层实现，把所有元素都保存在一个整数集合里面。
保存元素为整数且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 对象的编码可以是 ziplist 或 zkiplist，当采用 ziplist 编码存储时，每个集合元素使用两个紧挨在一起的压缩列表来存储。
Ziplist 压缩列表第一个节点存储元素的成员，第二个节点存储元素的分值，并且按分值大小从小到大有序排列。
当 Zset 对象同时满足一下两个条件时，采用 ziplist 编码：
- Zset 保存的元素个数小于 128。
- Zset 元素的成员长度都小于 64 字节。
如果不满足以上条件的任意一个，ziplist 就会转化为 zkiplist 编码。注意：这两个条件是可以修改的，在 redis.conf 中：
zset-max-ziplist-entries 128
zset-max-ziplist-value 64
至于为啥用单线程，我们先了解多线程有什么缺点。
但是，使用多线程后，没有良好的系统设计，可能会出现如下图所示的场景，增加了线程数量，前期吞吐量会增加，再进一步新增线程的时候，系统吞吐量几乎不再新增，甚至会下降！
在运行每个任务之前，CPU 需要知道任务在何处加载并开始运行。也就是说，系统需要帮助它预先设置 CPU 寄存器和程序计数器，这称为 CPU 上下文。
这些保存的上下文存储在系统内核中，并在重新计划任务时再次加载。这样，任务的原始状态将不会受到影响，并且该任务将看起来正在连续运行。
切换上下文时，我们需要完成一系列工作，这是非常消耗资源的操作。
另外，当多线程并行修改共享数据的时候，为了保证数据正确，需要加锁机制就会带来额外的性能开销，面临的共享资源的并发访问控制问题。
引入多线程开发，就需要使用同步原语来保护共享资源的并发读写，增加代码复杂度和调试难度。
- 不会因为线程创建导致的性能消耗；
- 避免上下文切换引起的 CPU 消耗，没有多线程切换的开销；
- 避免了线程之间的竞争问题，比如添加锁、释放锁、死锁等，不需要考虑各种锁问题。
- 代码更清晰，处理逻辑简单。
单线程是否没有充分利用 CPU 资源呢？
官方答案：因为 Redis 是基于内存的操作，CPU 不是 Redis 的瓶颈，Redis 的瓶颈最有可能是机器内存的大小或者网络带宽。既然单线程容易实现，而且 CPU 不会成为瓶颈，那就顺理成章地采用单线程的方案了。原文地址：https://redis.io/topics/faq。
在解释 IO 多虑复用之前我们先了解下基本 IO 操作会经历什么。
- 和客户端建立建立 accept;
- 从 socket 种读取请求 recv;
- 解析客户端发送的请求 parse;
- 执行 get 指令；
- 响应客户端数据，也就是 向 socket 写回数据。
其中，bind/listen、accept、recv、parse 和 send 属于网络 IO 处理，而 get 属于键值数据操作。既然 Redis 是单线程，那么，最基本的一种实现是在一个线程中依次执行上面说的这些操作。
关键点就是 accept 和 recv 会出现阻塞，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。
类似的，当 Redis 通过 recv() 从一个客户端读取数据时，如果数据一直没有到达，Redis 也会一直阻塞在 recv()。
阻塞的原因由于使用传统阻塞 IO ，也就是在执行 read、accept 、recv 等网络操作会一直阻塞等待。如下图所示：
它的基本原理是，内核不是监视应用程序本身的连接，而是监视应用程序的文件描述符。
当客户端运行时，它将生成具有不同事件类型的套接字。在服务器端，I / O 多路复用程序（I / O 多路复用模块）会将消息放入队列（也就是 下图的 I/O 多路复用程序的 socket 队列），然后通过文件事件分派器将其转发到不同的事件处理器。
简单来说：Redis 单线程情况下，内核会一直监听 socket 上的连接请求或者数据请求，一旦有请求到达就交给 Redis 线程处理，这就实现了一个 Redis 线程处理多个 IO 流的效果。
select/epoll 提供了基于事件的回调机制，即针对不同事件的发生，调用相应的事件处理器。所以 Redis 一直在处理事件，提升 Redis 的响应性能。
Redis 线程不会阻塞在某一个特定的监听或已连接套接字上，也就是说，不会阻塞在某一个特定的客户端请求处理上。正因为此，Redis 可以同时和多个客户端连接并处理请求，从而提升并发性。
- 纯内存操作，一般都是简单的存取操作，线程占用的时间很多，时间的花费主要集中在 IO 上，所以读取速度快。
- 整个 Redis 就是一个全局 哈希表，他的时间复杂度是 O(1)，而且为了防止哈希冲突导致链表过长，Redis 会执行 rehash 操作，扩充 哈希桶数量，减少哈希冲突。并且防止一次性 重新映射数据过大导致线程阻塞，采用 渐进式 rehash。巧妙的将一次性拷贝分摊到多次请求过程后总，避免阻塞。
- Redis 使用的是非阻塞 IO：IO 多路复用，使用了单线程来轮询描述符，将数据库的开、关、读、写都转换成了事件，Redis 采用自己实现的事件分离器，效率比较高。
- 采用单线程模型，保证了每个操作的原子性，也减少了线程的上下文切换和竞争。
- Redis 全程使用 hash 结构，读取速度快，还有一些特殊的数据结构，对数据存储进行了优化，如压缩表，对短数据进行压缩存储，再如，跳表，使用有序的数据结构加快读取的速度。
-
根据实际存储的数据类型选择不同编码。
这是最常见的一种架构，一个Master节点，两个Slave节点。客户端写数据的时候是写Master节点，读的时候，是读取两个Slave，这样实现读的扩展，减轻了Master节点读负载。
