一文讲解Redis为什么读写性能高以及I/O复用相关知识点

Redis为什么读写性能高呢？

Redis 的速度⾮常快，单机的 Redis 就可以⽀撑每秒十几万的并发，性能是 MySQL 的⼏⼗倍。原因主要有⼏点：

①、基于内存的数据存储，Redis 将数据存储在内存当中，使得数据的读写操作避开了磁盘 I/O。而内存的访问速度远超硬盘，这是 Redis 读写速度快的根本原因。

②、单线程模型，Redis 使用单线程模型来处理客户端的请求，这意味着在任何时刻只有一个命令在执行。这样就避免了线程切换和锁竞争带来的消耗。

③、IO 多路复⽤，基于 Linux 的 select/epoll 机制。该机制允许内核中同时存在多个监听套接字和已连接套接字，内核会一直监听这些套接字上的连接请求或者数据请求，一旦有请求到达，就会交给 Redis 处理，就实现了所谓的 Redis 单个线程处理多个 IO 读写的请求。

三分恶面渣逆袭：Redis使用IO多路复用和自身事件模型

④、高效的数据结构，Redis 提供了多种高效的数据结构，如字符串（String）、列表（List）、集合（Set）、有序集合（Sorted Set）等，这些数据结构经过了高度优化，能够支持快速的数据操作。

顺带再补充下I/O多路复用的知识

IO 多路复用是一种高效管理多个 IO 事件的技术，通过单线程监控多个文件描述符（fd），实现高并发的 IO 操作。

常见的 I/O 多路复用机制包括 select、poll 和 epoll 等。

特性	select	poll	epoll
文件描述符限制	受 FD_SETSIZE 限制	无限制	无限制
时间复杂度	O(n)	O(n)	O(1)
数据复制	需要	需要	不需要
工作方式	线性扫描	线性扫描	事件通知
内核支持	所有 UNIX 系统	所有 UNIX 系统	Linux 2.6 及以上版本
适用场景	少量连接	中等连接	大量并发连接

比如说你是一名数学老师，上课时提出了一个问题：“今天谁来证明一下勾股定律？”

同学小王举手，你就让小王回答；小李举手，你就让小李回答；小张举手，你就让小张回答。

这种模式就是 IO 多路复用，你只需要在讲台上等，谁举手谁回答，不需要一个一个去问。

有盐先生：IO 多路复用

Redis 就是使用 epoll 这样的 I/O 多路复用机制，在单线程模型下实现高效的网络 I/O，从而支持高并发的请求处理。

举例子说一下 I/O 多路复用？

假设你是一个老师，让 30 个学生解答一道题目，然后检查学生做的是否正确，你有下面几个选择：

• 第一种选择：按顺序逐个检查，先检查 A，然后是 B，之后是 C、D。。。这中间如果有一个学生卡住，全班都会被耽误。这种模式就好比，你用循环挨个处理 socket，根本不具有并发能力。
• 第二种选择：你创建 30 个分身，每个分身检查一个学生的答案是否正确。 这种类似于为每一个用户创建一个进程或者线程处理连接。
• 第三种选择，你站在讲台上等，谁解答完谁举手。这时 C、D 举手，表示他们解答问题完毕，你下去依次检查 C、D 的答案，然后继续回到讲台上等。此时 E、A 又举手，然后去处理 E 和 A。

第一种就是阻塞 IO 模型，第三种就是 I/O 复用模型。

图片来源于网络：多路复用模型

Linux 系统有三种方式实现 IO 多路复用：select、poll 和 epoll。

例如 epoll 方式是将用户 socket 对应的 fd 注册进 epoll，然后 epoll 帮你监听哪些 socket 上有消息到达，这样就避免了大量的无用操作。此时的 socket 应该采用非阻塞模式。

这样，整个过程只在进行 select、poll、epoll 这些调用的时候才会阻塞，收发客户消息是不会阻塞的，整个进程或者线程就被充分利用起来，这就是事件驱动，所谓的 reactor 模式。

select、poll 和 epoll 的实现原理？

select 使用位图管理 fd，每次调用都需要将 fd 集合从用户态复制到内核态。最大支持 1024 个文件描述符。

poll 使用动态数组管理 fd，突破了 select 的数量限制。

epoll 使用红黑树和链表管理 fd，每次调用只需要将 fd 集合从用户态复制到内核态一次，不需要重复复制。