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。

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。