[Redis]Redis学习开篇概述

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引言

大家好，这是 Redis 系列的开篇。
本系列旨在深入了解 Redis 的设计原理。
内容涵盖 Redis 的运行原理、设计思路、解决的问题以及应用场景。

Redis发展趋势与学习

Redis趋势

Redis版本流行情况参考阿里云Redis云原生可选版本，如下⬇️：

在Redis的官网中有写到

Redis 8 is the best version of Redis ever.

Redis8即将到来了。相较于现在流行的Redis5\6\7版本，Redis8有哪些改动呢？

其中最为人所知的应该就是异步IO线程的实现，我们也以线程改动为例，来一起窥见Redis发展趋势。

Redis线程从单线程IO发展到Redis6的多线程IO，再发展到Redis8的异步IO。反映了其在性能优化和适应现代硬件环境上的演进。

• 单线程时代-2009年
  在单线程时代，Redis 的IO模型基于IO多路复用和非阻塞IO，所有操作（网络读写、命令执行）都在一个主线程中完成。
  此时Redis通过事件驱动处理多个客户端连接，避免线程切换和锁竞争，适合内存操作的高速场景。
  随着网络带宽和多核CPU的提升，单线程在高并发网络IO场景下成为性能瓶颈。
  毕竟，这个设计是2009年的了。🙂

• 多线程时代-2020年
  在多线程时代（Redis6），Redis将网络IO处理（读写socket、协议解析）从主线程中剥离，交给多个IO线程并行处理，而命令执行还还是由单线程处理。
  多线程的改动，让Redis可以充分利用多核CPU提升网络IO吞吐量，解决单线程网络处理跟不上硬件速度的问题。
  此时Redis在多核环境下，吞吐量可提升一倍左右。

不过有文章介绍多数场景中Redis CPU没有打满，即不会遇到Redis单线程性能瓶颈问题。
Redis 多线程IO 主要解决是 IO 密集型场景，即网络 IO 消耗在 Redis 中占比较大的场景，而非计算密集型场景，因为命令处理仍然是单线程的。并且 Redis 提供了集群模式，可以通过增加从库和分片的方式来扩展系统吞吐能力。

• Redis8异步IO-2024年
  很详细的介绍文章➡️Redis Async IO Thread：突破百万级 QPS 的性能极限，上面关于单线程和多线程的比较也是这篇文章提及的。

在异步IO设计中，Redis还是没有改变多线程IO设计的“命令必须在主线程中执行”的原则。
每个 IO 线程都有独立的事件循环，IO 线程也采用多路复用的方式来处理客户端的读写操作，从而消除了忙等待所带来的 CPU 开销。
而主也线程不再需要执行繁重的 epoll_wait 操作来处理客户端读写操作，只需要专注于命令处理。
如下图所示，主线程和 IO 线程交互过程可以简要描述如下：

• 主线程在 accept 新连接后将客户端分配给 IO 线程
• IO 线程在完成客户端的请求读取和命令解析后会通知主线程
• 主线程处理来自 IO 线程的命令并生成回复并再转回给相应的 IO 线程
• IO 线程负责将回复写回客户端，并继续处理客户端的读写事件
  

以Redis线程发展为例，可以看出Redis始终围绕着“高性能”这个核心目标演进。

感觉Redis设计真的很了不起，线程实现从单线程到多线程到异步，其所有命令还是都在主线程中执行。
着其实乍一看好像并不是什么高性能的设计，但单线程在内存环境中，可以最大化地利用L1/L2缓存。Redis的核心操作（如键值读写）是内存操作，速度极快（纳秒到微秒级），单线程足以处理高吞吐量，瓶颈更多出现在网络IO而非命令执行。前面提到Redis6多线程也是为了解决网络IO瓶颈而设计。

多线程则需要解决缓存一致性问题，其较单线程更复杂（如锁、死锁、线程同步）。
但是Redis通过这样的设计保证了操作的原子性与一致性（在微服务架构的事务处理一篇中，我们有了解到多服务访问多数据源一致性的难做）。
这样的设计也更适应Redis常用的缓存、计数器、分布式锁等一致性要求高的场景。

单线程执行命令还保持了Redis代码的简洁性、可维护性。
Redis之父Salvatore Sanfilippo他在博客中多次强调，Redis的成功部分归功于其简单性，多线程命令执行会让系统变得像传统RDBMS，失去轻量级优势。

Redis终归是：

简单高效的内存数据库。

即，在简单的同时追求一致性与高性能。

Redis学习

尽管 Redis 8 有诸多改动且即将推出，但我们仍能从先前的 Redis 设计中获取解决问题的思路。

例如，从上一章节提及的 Redis 线程设计的演进历程可知，多线程适合处理网络 IO 密集型场景，异步 IO 同样如此。
而单线程处理一致性更为简单、合适。这提醒我们要避免过度复杂，切勿滥用线程。在线程使用前，先查看 CPU 状况，确认瓶颈是否真的在线程上，是否是网络与磁盘IO等。
我们也很容易了解到Redis有着高效的数据结构，那么遇到性能问题时，是否可以借鉴Redis的数据结构来避免其他复杂机制。
等等……

本系列将跟随《Redis设计与实现》，系统学习了解Redis的原理与实践。
了解其内存存储与高效的数据结构、单线程事件循环模型、持久化机制、高可用性与分布式扩展、内存管理与淘汰机制、客户端协议与命令优化等核心内容。
了解Redis是怎么设计高性能、灵活性、可靠性、扩展性、简单性的。
以及思考为什么Redis8使用了另外的设计来实现目标。

虽然这本书使用的Redis（基于Redis2.9）版本有点老，Redis最新稳定版已达到7.x系列，但是Redis的核心设计理念8.0版本前变化不大。
另外推荐作者黄健宏的新书——《Redis应用实例》，书中介绍了Redis各种应用。