单线程的Redis为何这么快？
单线程的Redis为何还能这么快?
1、所有的数据都在内存中，所有的运算都是内存级别的运算
（内存内的操作不会因为磁盘IO速度限制，因此不会成为性能瓶颈）
2、简单高效的数据结构，对数据操作也简单，Redis中的数据结构是专门进行设计的
3、单线程操作，避免了频繁的上下文切换带来的资源消耗问题，也无需关心锁，更不会因为死锁导致的性能消耗
（正因为是单线程，因此时间复杂度为O(n)的指令要谨慎使用，一不小心就会造成卡顿）
4、多路IO复用，非阻塞IO（NIO）来处理 客户端的并发连接
（可以让单个线程高效的处理多个连接请求（尽量减少网络IO的时间消耗））
IO多路复用，非阻塞IO：
1）非阻塞IO，Non-block IO， NIO，非阻塞模式，使一个线程从某通道发送请求数据读取数据，如果目前没有数据可读时，就什么都不会获取，而不是保持线程阻塞，直到有数据可读之前，该线程可以继续做别的事情。
非阻塞写也是如此，能写多少取决于内核为套接字分配的写缓冲区的空闲字节数，不必等到完全写入这个线程可以去做别的事情。线程通常将非阻塞IO的空闲时间用于在其他通道上执行IO操作，所以一个单独的线程现在可以管理多个输入和输出通道（channel）。
阻塞IO，BIO，如Java IO中的各种流都是BIO，阻塞的。当一个线程调用read或者write方法时，该线程会被阻塞，直到有一些数据被读取，或数据完全写入。该线程在此期间不能再干别的事情了。
2）多路IO复用（事件轮询）
多路指的是多个socket网络连接，复用指的是复用同一个线程
多路复用主要有三种技术：select、poll、epoll。epoll是最新的也是最好的多路复用技术
它的基本原理是，内核不是监控应用程序本身的连接，而是监视应用程序的文件描述符（fd），而每个socket连接和IO都对应一个fd。fd对应一个请求或一个连接
内核为每个socket连接请求、IO读写都分配一个文件描述符fd（一个非负整数，是指向内核为该进程维护的打开文件的记录表（记录详细的文件描述信息）的索引），Redis底层通过调用epoll函数获取该进程下就绪的socket连接或IO请求，然后交给Redis的单线程去处理。就实现了单线程的Redis能同时处理多个socket和IO流的效果。
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
非阻塞IO有个问题，那就是线程要读数据，结果读了一部分后返回了，那么当数据到来时，如何通知线程继续读呢？写也是一样，如果缓冲区写满了没有写完，剩下的数据何时继续写，线程也应该得到通知。
事件轮询API就是用来解决这个问题的。最简单的事件轮询API是select函数。它是操作系统提供给用户程序的API。输入是读写描述符列表：read_fds&write_fds，输出是与之对应的可读可写事件。同时还提供了一个timeout参数，如果没有任务事件到来，那么就最多等待timeout的值的时间，线程处于阻塞状态。一旦期间没有任务事件到来，就可以立即返回。时间过了之后没有任务事件到来，也会立即返回。拿到事件后，线程就可以挨个处理相应的事件。处理完了继续过来轮询。于是线程就进入了一个死循环，这个死循环称为事件循环，一个循环为一个周期
每个客户端套接字socket都有对应的读写文件描述符，因为我们通过select（现在使用epoll函数）系统调用同时处理多个通道描述符的读写事件，因此我们将这类系统调用称为多路复用API。
通过系统提供的epoll函数同时处理多个通道描述符的读写事件，因此将这类调用称为多路复用API。
（一句话总结就是利用操作系统提供的epoll函数（基于事件驱动）同时处理多个通道描述符的读写事件来实现多路复用）
指令队列：Redis会将每个客户端套接字都关联一个指令队列。客户端的指令通过队列来排队进行顺序处理，先到先服务。
响应队列：Redis会为每个客户端套接字都关联一个响应队列。Redis服务器通过响应队列来将指令的返回结果回复给客户端。如果队列为空，那么意味着连接暂时处于空闲状态，不需要去获取写事件。
定时任务：服务器除了要响应IO事件外，还要处理其他的事情。比如定时任务就是非常重要的一件事。如果线程阻塞在select系统调用上，定时任务无法得到准时调度。Redis的定时任务会记录在一个被称为最小堆的数据结构中。在这个堆中，最快要执行的任务排在堆的最上方，每个循环周期里。Redis都会对最小堆里面已经到时间点的任务进行处理。处理完毕后，将最快要执行的任务还需要的时间记录下来，这个时间就是select系统调用的timeout参数。因为Redis知道未来timeout的值的时间内，没有其他定时任务需要处理，所以可以安心睡眠timeout的值的时间。
高效的数据结构：
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
SDS动态字符串：
1）时间复杂度为O(1)
C 语言中获取字符串的长度，要从头开始遍历，直到 「\0」为止，时间复杂度为 O(n)。
SDS中len保存字符串的长度，获取字符串长度的时间复杂度为 O(1)。
2）空间预分配
SDS 被修改后，程序不仅会为 SDS 分配所需要的必须空间，还会分配额外的未使用空间，来减少内存的频繁分配
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；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。
3）惰性空间释放
当对 SDS 进行缩短操作时，程序并不会回收多余的内存空间，而是使用 free 字段将这些字节数量记录下来不释放，后面如果需要 append 操作，则直接使用 free 中未使用的空间，减少了内存的分配
4）二进制安全
在Redis中不仅可以存储String类型的数据，也可以存储一些二进制数据。
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
总结：Redis是一个单进程单线程且采用多路I/O复用模型，非阻塞IO技术, 使之可以同时处理多个连接请求(减少网络IO耗时), 也不需要关心锁，线程切换等资源消耗问题
Redis单线程特性的优缺点
优点：
1、代码更清晰，逻辑更简单
2、不用因为同步去考虑各种锁的问题，不存在加锁和释放锁的操作，基本不会出现死锁而导致的性能消耗
3、避免了多线程切换导致的CPU消耗，没有多线程切换的开销
缺点：
无法发挥多核CPU的性能，不过可以通过在单机开多个Redis实例来实现
为什么Redis6.0之后又改用多线程呢？
Redis6.0并非摒弃单线程，Redis仍使用单线程处理客户端的请求，以及执行命令。
只是使用多线程来处理数据的读写和协议解析。
因为Redis的瓶颈不是CPU，而是网络IO，使用多线程能提升IO读写的效率，从而整体提高Redis的性能。
END.
