图片来源: https://bytebytego.com

一、基于内存（RAM-based）

1. Redis 使用内存而非磁盘

  • Redis 的数据主要存储在 RAM（内存） 中
  • 避免了磁盘 IO 带来的巨大延迟

2. 不同存储介质的延迟对比（近似值）

存储层级延迟
CPU Register~0.3 ns
L1 Cache~0.9 ns
L2 Cache~2.8 ns
L3 Cache~12.9 ns
RAM~120 ns
SSD50–150 μs
HDD1–10 ms

内存访问速度比 SSD 快 数百倍，比 HDD 快 数万倍，这是 Redis 高性能的根本原因

二、IO 多路复用 + 单线程模型

1. IO 多路复用（IO Multiplexing）

  • Redis 使用 IO 多路复用机制（如 epoll / kqueue / select）
  • 一个线程即可同时监听 大量 Socket 连接

示意：

Socket1
Socket2  ──► IO Multiplex
Socket3

2. 单线程读写模型

  • Redis 的 核心读写逻辑是单线程的

  • 优点：

    • 无锁竞争
    • 无线程切换开销
    • 执行路径极短、可预测

3. Redis 事件处理流程

IO Multiplex
   ↓
Event Loop（单线程）
   ↓
Task Queue
   ↓
Event Dispatcher
   ↓
Event Processor

Redis 用单线程 + 非阻塞 IO 的方式，实现了“看起来像并发，实际是串行执行”

三、高效的数据结构设计

Redis 并不是简单的 KV 存储，而是为性能深度定制了数据结构。

1. String —— SDS（Simple Dynamic String）

SDS 的核心特性

  • O(1) 获取字符串长度（不需要遍历）
  • 预分配空间，减少频繁内存申请
  • 使用 free 字段记录剩余空间，便于扩容

SDS 结构示意

| header | len = 5 | free = 0 | buffer = "Redis" |

对比 C 字符串：strlen 是 O(n)，SDS 是 O(1)

2. List（列表）

  • 可能使用的数据结构：

    • LinkedList
    • Ziplist（紧凑存储，节省内存）

3. Hash（哈希）

  • 使用：

    • HashTable
    • Ziplist（小对象时）

4. Set（集合）

  • 使用 IntSet 存储整数集合
  • 内存占用小，查询速度快

5. Sorted Set（有序集合）

  • 底层结构：

    • SkipList（跳表） + HashTable

SkipList 的优势

  • 多层索引结构，加速查找
  • 平均时间复杂度：O(log n)

示意：

Level 3: 1 ----------- 18 ----------- 31
Level 2: 1 ---- 9 ---- 18 ---- 31
Level 1: 1 - 4 - 9 - 18 - 31

跳表比平衡树实现简单，更适合 Redis 的高性能场景