IO多路復用技術

Redis的高性能，有功于其使用的 IO 多路復用技術（IO multiplexing）。

IO 多路復用是一種 IO 模型，它使單個線程可以監視多個文件描述符（如：網絡套接字）。

這種機制避免了為每個連接創建一個線程或進程的開銷，從而提升了性能。

Redis 在處理網絡 IO 時，采用異步非阻塞模式，利用了操作系統提供的 IO 多路復用技術（如 epoll），可以同時處理多個客戶端連接而不會阻塞整個服務進程。

如下圖所示:

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IO 多路復用庫，包括 ：select、poll、epoll（Linux）。

在不同的操作系統上，Redis 會選擇最適合的 IO 多路復用庫，Linux：主要使用 epoll。

epoll 是 Linux 下的高性能 IO 多路復用機制，利用了紅黑樹和事件就緒隊列，提供了更高效的文件描述符管理和事件通知，適合于需要處理大量并發連接的場景。

內存存儲

Redis之所以性能快，主要原因是它將數據存儲在"內存"中，而不是在磁盤上。

原因很簡單，內存的讀寫帶寬遠高于磁盤，支持更高的并發讀寫操作。

為什么磁盤慢這么多呢？原因是自己的設計結構，如下圖所示：

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一次數據的讀寫，主要會涉及到：尋道、以及旋轉延遲。

尋道

為了讀取、或寫入數據，首先，磁頭需要移動到正確的軌道上，這就是尋道。

如果每次讀取，都需要定位到正確的軌道，這就需要時間，特別是機械硬盤，就非常浪費時間。

所以，磁頭移動到目標軌道，這是最慢的一步之一。

旋轉延遲

當磁頭到達目標軌道后，還需要等待盤片，旋轉到正確位置以便訪問數據塊，這就會涉及到“旋轉延遲”。

旋轉延遲，通常占據了總I/O時間的一大部分，平均延遲時間約為盤片轉一圈時間的一半。

所以，這些步驟，都是非常耗費性能的。

而內存，沒有磁盤旋轉、和磁頭移動的機械延遲，訪問時間在納秒級別，而磁盤訪問時間在毫秒級別。

所以，內存的速度會快非常多，這也是性能快的核心原因。

數據結構高效

Redis提供了多種高效的數據結構（如：字符串、列表、集合、有序集合、哈希等），如下圖所示：

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這些數據結構在內存中進行優化，能夠快速進行數據操作。

比如：

LPUSH task_queue "task1"
RPOP task_queue

列表使用 QuickList（雙向鏈表），可以在列表兩端快速插入和刪除元素。

常數時間復雜度：在列表兩端進行的操作時間復雜度為 O(1)。

再比如：

SADD user_tags "tag1"
SISMEMBER user_tags "tag1"

集合基于哈希表實現，能夠在常數時間內完成添加和檢查操作。

優化的網絡通信協議

Redis 使用自己優化的 RESP（REdis Serialization Protocol），網絡通信協議。

該協議簡單且高效，能夠減少網絡通信的開銷，提升數據傳輸效率。

總之，Redis 通過上述多個方面的優化、和設計，使得它成為了一個高性能的分布式緩存，適用于各種需要快速響應、和處理大規模數據的應用場景。