1.基于內(nèi)存存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)

內(nèi)存讀寫是比在磁盤快很多的，Redis 基于內(nèi)存存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)庫(kù)，相對(duì)于數(shù)據(jù)存在磁盤的 MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)，省去磁盤 I/O的消耗。
而使用數(shù)據(jù)持久化的情況下，Redis會(huì)將數(shù)據(jù)同時(shí)保存在內(nèi)存和磁盤中。
Redis提供了兩種持久化方式：RDB（Redis Database）和AOF（Append Only File）。

• RDB持久化方式會(huì)定期將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)快照以二進(jìn)制形式保存到磁盤上。當(dāng)Redis重啟時(shí)，可以通過加載RDB文件將快照數(shù)據(jù)恢復(fù)到內(nèi)存中。
• AOF持久化方式會(huì)將每一條寫命令追加到磁盤上的AOF文件中。當(dāng)Redis重啟時(shí)，會(huì)通過重新執(zhí)行AOF文件中的所有命令來恢復(fù)數(shù)據(jù)。
  無論是RDB還是AOF，都會(huì)將數(shù)據(jù)保存在磁盤上，以保證數(shù)據(jù)的持久性和可靠性。同時(shí)，數(shù)據(jù)也會(huì)保留在內(nèi)存中，以確保Redis在讀取和處理數(shù)據(jù)時(shí)的高性能。
  需要注意的是，如果同時(shí)開啟了RDB和AOF持久化方式，Redis在進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)時(shí)，會(huì)優(yōu)先選擇AOF文件進(jìn)行恢復(fù)，因?yàn)锳OF文件包含了更完整的歷史記錄。如果AOF文件損壞或不完整，才會(huì)使用RDB文件進(jìn)行恢復(fù)。

2.高效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

MySQL 的索引使用的是B+樹，而redis則是由多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和內(nèi)部編碼
在Redis中，每種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的底層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

1. 字符串（String）：字符串?dāng)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是簡(jiǎn)單的動(dòng)態(tài)字符串（SDS），它是一個(gè)包含了字符數(shù)組和長(zhǎng)度信息的結(jié)構(gòu)體。如C語(yǔ)言中字符串會(huì)遇到’\0’會(huì)結(jié)束，SDS標(biāo)志字符串結(jié)束的是len屬性。它是對(duì)C語(yǔ)言中的字符串的一種封裝，而SDS提供了更多的功能和優(yōu)勢(shì)。
   簡(jiǎn)單動(dòng)態(tài)字符串具有以下特點(diǎn)：

   • 動(dòng)態(tài)調(diào)整大小：SDS的長(zhǎng)度可以根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)地調(diào)整，通過記錄字符串的長(zhǎng)度和分配的空間大小來實(shí)現(xiàn)。在進(jìn)行字符串修改操作時(shí)，SDS會(huì)根據(jù)需要自動(dòng)擴(kuò)展或縮小內(nèi)存空間，避免了頻繁的內(nèi)存分配和拷貝。
   • 二進(jìn)制安全：SDS不僅可以存儲(chǔ)文本字符串，還可以存儲(chǔ)二進(jìn)制數(shù)據(jù)。由于SDS內(nèi)部維護(hù)了字符串的長(zhǎng)度信息，所以它可以準(zhǔn)確地表示任意二進(jìn)制數(shù)據(jù)，而不受到C字符串中使用’\0’字符作為字符串結(jié)束符的限制。
   • 高效的常數(shù)時(shí)間操作：SDS支持常數(shù)時(shí)間的字符串長(zhǎng)度獲取、追加、刪除等操作。這是通過維護(hù)字符串的長(zhǎng)度信息和使用預(yù)分配的空間來實(shí)現(xiàn)的。
   • 兼容C字符串：SDS可以將C字符串轉(zhuǎn)換為SDS，并且可以直接通過指針訪問SDS中的數(shù)據(jù)。這使得SDS可以與現(xiàn)有的C庫(kù)函數(shù)和代碼無縫集成。

2. 哈希表（Hash）：哈希表的底層實(shí)現(xiàn)是字典（Dictionary）。字典是一種用于存儲(chǔ)鍵值對(duì)的散列表，采用了哈希算法來實(shí)現(xiàn)高效的查找和插入操作。

3. 列表（List）：列表的底層實(shí)現(xiàn)是雙向鏈表（Doubly Linked List）。雙向鏈表是一種每個(gè)節(jié)點(diǎn)都包含前后指針的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以在常數(shù)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的插入、刪除、訪問等操作。

4. 集合（Set）：集合的底層實(shí)現(xiàn)有兩種：一種是基于哈希表的實(shí)現(xiàn)，另一種是基于有序集合的實(shí)現(xiàn)。具體使用哪種實(shí)現(xiàn)方式取決于集合的大小和元素類型。

5. 有序集合（Sorted Set）：有序集合的底層實(shí)現(xiàn)是跳躍表（Skip List）和哈希表的組合。跳躍表是一種有序的、快速查詢的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以按照分?jǐn)?shù)進(jìn)行有序存儲(chǔ)和查詢。跳表的特色：

   • 高效的查找、快速定位到需要的元素、通過跳過一部分?jǐn)?shù)據(jù)，查找操作的平均時(shí)間復(fù)雜度為O(log N)，其中N是元素的數(shù)量。這使得跳表在實(shí)現(xiàn)有序集合時(shí)非常高效，不需要像傳統(tǒng)的有序數(shù)組那樣進(jìn)行線性搜索。
   • 支持范圍查找、有序集合中十分重要

3.合理的數(shù)據(jù)編碼

Redis 支持多種數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)類型，每種基本類型，可能對(duì)多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。什么時(shí)候,使用什么樣數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使用什么樣編碼，是 redis 設(shè)計(jì)者總結(jié)優(yōu)化的結(jié)果。

• String：如果存儲(chǔ)數(shù)字的話，是用 int 類型的編碼;如果存儲(chǔ)非數(shù)字，小于等于39 字節(jié)的字符串，是 embstr；大于 39 個(gè)字節(jié)，則是 raw 編碼。
• List：如果列表的元素個(gè)數(shù)小于 512 個(gè)，列表每個(gè)元素的值都小于 64 字節(jié)（默認(rèn)），使用 ziplist 編碼，否則使用 linkedlist 編碼
• Hash：哈希類型元素個(gè)數(shù)小于 512 個(gè)，所有值小于 64 字節(jié)的話，使用ziplist 編碼,否則使用 hashtable 編碼。
• Set：如果集合中的元素都是整數(shù)且元素個(gè)數(shù)小于 512 個(gè)，使用 intset 編碼，否則使用 hashtable 編碼。
• Zset：當(dāng)有序集合的元素個(gè)數(shù)小于 128 個(gè)，每個(gè)元素的值小于 64 字節(jié)時(shí)，使用ziplist 編碼，否則使用 skiplist（跳躍表）編碼

4.合理的線程模型

I/O多路復(fù)用（IO Multiplexing）是一種同時(shí)監(jiān)視多個(gè)I/O流的機(jī)制，它允許單個(gè)線程同時(shí)處理多個(gè)I/O操作，提高系統(tǒng)的并發(fā)性能。通過使用I/O多路復(fù)用，可以避免單線程在處理阻塞式I/O時(shí)出現(xiàn)的等待時(shí)間，從而提高系統(tǒng)的效率。
在Redis中，I/O多路復(fù)用是用來處理客戶端連接和網(wǎng)絡(luò)通信的關(guān)鍵機(jī)制。Redis服務(wù)器在啟動(dòng)時(shí)會(huì)創(chuàng)建一個(gè)I/O多路復(fù)用的事件循環(huán)（Event Loop），它負(fù)責(zé)監(jiān)聽和處理客戶端的請(qǐng)求和網(wǎng)絡(luò)事件。
具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1. Redis采用非阻塞式I/O模型，通過設(shè)置非阻塞套接字（non-blocking socket）來實(shí)現(xiàn)異步的I/O操作。這樣當(dāng)一個(gè)客戶端連接有數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)，Redis可以立即進(jìn)行讀取操作，而不會(huì)被阻塞等待數(shù)據(jù)到達(dá)。
2. Redis使用I/O多路復(fù)用機(jī)制來同時(shí)監(jiān)聽多個(gè)客戶端連接的事件。通過使用系統(tǒng)調(diào)用（如epoll、select、kqueue等），Redis可以將多個(gè)套接字注冊(cè)到事件循環(huán)中，并在有事件發(fā)生時(shí)及時(shí)做出相應(yīng)的處理。
3. 當(dāng)有新的客戶端連接建立或已有的連接有數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)，Redis的事件循環(huán)會(huì)觸發(fā)相應(yīng)的事件，并調(diào)用相應(yīng)的回調(diào)函數(shù)來處理。例如，當(dāng)有新的連接建立時(shí)，會(huì)調(diào)用accept()函數(shù)來接受客戶端連接；當(dāng)客戶端有數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)，會(huì)調(diào)用read()函數(shù)來讀取數(shù)據(jù)。
4. Redis使用事件驅(qū)動(dòng)的方式處理客戶端請(qǐng)求，將任務(wù)交給相應(yīng)的工作線程進(jìn)行處理。通過事件循環(huán)和線程池的結(jié)合，Redis可以高效地處理大量的并發(fā)客戶端請(qǐng)求，并且保持較低的系統(tǒng)資源消耗。
   通過采用I/O多路復(fù)用機(jī)制，Redis能夠高效地處理大量的并發(fā)客戶端請(qǐng)求，提高系統(tǒng)的吞吐量和響應(yīng)速度。
   但Redis的其他功能，比如持久化、異步刪除、集群數(shù)據(jù)同步等等，實(shí)際是由額外的線程執(zhí)行的。

5. 虛擬內(nèi)存機(jī)制

內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，但它也提供了一種虛擬內(nèi)存機(jī)制，允許將數(shù)據(jù)持久化到磁盤而不僅僅存儲(chǔ)在內(nèi)存中。
虛擬內(nèi)存機(jī)制允許Redis將部分?jǐn)?shù)據(jù)從內(nèi)存中移動(dòng)到磁盤上，以便處理大于物理內(nèi)存的數(shù)據(jù)集。這對(duì)于處理大型數(shù)據(jù)集的情況非常有用，但需要謹(jǐn)慎使用，因?yàn)樘摂M內(nèi)存可能導(dǎo)致性能下降。以下是一些關(guān)于Redis虛擬內(nèi)存的關(guān)鍵要點(diǎn)：

1. 虛擬內(nèi)存配置：Redis的虛擬內(nèi)存可以通過配置文件中的vm-enabled參數(shù)啟用或禁用。默認(rèn)情況下，虛擬內(nèi)存是禁用的。

2. 虛擬內(nèi)存限制：你可以配置Redis的虛擬內(nèi)存限制，即vm-max-memory參數(shù)，來指定Redis可以使用的虛擬內(nèi)存的最大大小。當(dāng)達(dá)到這個(gè)限制時(shí)，Redis會(huì)將一些不常用的數(shù)據(jù)移到磁盤上，以騰出更多的內(nèi)存。

3. 數(shù)據(jù)分頁(yè)：Redis的虛擬內(nèi)存將數(shù)據(jù)分為不同的頁(yè)（pages），每個(gè)頁(yè)的大小由vm-page-size參數(shù)定義。這些頁(yè)存儲(chǔ)在磁盤上，根據(jù)數(shù)據(jù)的訪問頻率進(jìn)行移動(dòng)。

4. 數(shù)據(jù)置換策略：Redis使用一種稱為"頁(yè)置換"的策略來決定哪些數(shù)據(jù)會(huì)被移動(dòng)到磁盤上。常見的策略包括LRU（最近最少使用）和LFU（最不常使用）。

5. 警告和性能影響：使用虛擬內(nèi)存時(shí)，需要注意性能問題。頻繁的數(shù)據(jù)移動(dòng)和磁盤訪問可能會(huì)導(dǎo)致性能下降。Redis會(huì)在達(dá)到一定的內(nèi)存使用閾值時(shí)發(fā)出警告，以提醒你。

6. 數(shù)據(jù)持久化：與傳統(tǒng)的Redis內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)不同，虛擬內(nèi)存Redis在磁盤上存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，因此不需要單獨(dú)的持久化選項(xiàng)。數(shù)據(jù)將在Redis服務(wù)器重新啟動(dòng)時(shí)從磁盤加載到內(nèi)存中。

實(shí)現(xiàn)原理

內(nèi)存機(jī)制的實(shí)現(xiàn)原理可以簡(jiǎn)要概括如下：

1. 數(shù)據(jù)分頁(yè)：Redis將數(shù)據(jù)分成固定大小的頁(yè)面（pages），每個(gè)頁(yè)面的大小由vm-page-size參數(shù)定義。這些頁(yè)面存儲(chǔ)在磁盤上，并根據(jù)需要進(jìn)行加載和卸載。

2. 內(nèi)存映射：Redis使用內(nèi)存映射（memory mapping）技術(shù)來管理虛擬內(nèi)存。它會(huì)將磁盤上的頁(yè)面映射到進(jìn)程的地址空間中，這使得可以像訪問內(nèi)存一樣訪問磁盤上的數(shù)據(jù)。

3. 頁(yè)置換策略：Redis使用一種頁(yè)面置換策略來決定哪些數(shù)據(jù)頁(yè)應(yīng)該從內(nèi)存中移動(dòng)到磁盤上，以便騰出內(nèi)存空間。常見的策略包括LRU（最近最少使用）和LFU（最不常使用），可以通過配置文件中的vm-max-policy參數(shù)進(jìn)行選擇。

4. 內(nèi)存管理：Redis會(huì)維護(hù)一個(gè)內(nèi)存使用情況的統(tǒng)計(jì)信息，以了解哪些數(shù)據(jù)頁(yè)需要被置換到磁盤上。當(dāng)內(nèi)存使用接近虛擬內(nèi)存限制時(shí)，Redis會(huì)啟動(dòng)虛擬內(nèi)存機(jī)制，將一些不常用的頁(yè)面移動(dòng)到磁盤上，以釋放內(nèi)存。

5. 持久化：虛擬內(nèi)存中的數(shù)據(jù)頁(yè)也會(huì)被持久化到磁盤上，以便在Redis服務(wù)器重新啟動(dòng)時(shí)能夠恢復(fù)數(shù)據(jù)。這是通過Redis的RDB快照機(jī)制來完成的。
   需要注意的是，虛擬內(nèi)存機(jī)制在Redis中并不是主要的工作模式，而是一種輔助的機(jī)制，用于處理大型數(shù)據(jù)集。在實(shí)踐中，虛擬內(nèi)存通常需要謹(jǐn)慎配置，以避免性能下降。通常情況下，更好的方法是根據(jù)實(shí)際需求適當(dāng)?shù)胤制瑪?shù)據(jù)，或者使用更大的物理內(nèi)存來容納數(shù)據(jù)集，以獲得更好的性能。虛擬內(nèi)存通常用于處理數(shù)據(jù)集過大，無法完全加載到內(nèi)存的特殊情況。