10天 -- Redis 中常见的数据类型有哪些？Redis 为什么这么快？为什么 Redis 设计为单线程？6.0 版本为何引入多线程？

Redis 中常见的数据类型有哪些？

Redis 是一个开源的内存数据结构存储系统，可以用作数据库、缓存和消息中间件。它支持多种数据结构，常见的包括以下几种：

1. String（字符串）

• 特点 ：最基本的数据结构，可以存储字符串、整数或浮点数。如果存储的是数字，Redis 会自动识别类型并支持相应的运算。
• 常用操作 ：SET 、GET 、INCR （自增）、DECR （自减）等。
• 典型场景 ：作为缓存存储简单的键值对，如用户数据缓存等。

2. List（列表）

• 特点 ：实现为一个双向链表，适用于存储有序的字符串列表。允许从列表的两端快速插入和弹出元素。
• 常用操作 ：LPUSH （左插入）、RPUSH （右插入）、LPOP （左弹出）、RPOP （右弹出）、LRANGE （获取范围内的元素）等。
• 典型场景 ：消息队列、最近浏览记录等。

3. Set（集合）

• 特点 ：存储无序且唯一的字符串集合。不支持重复元素。
• 常用操作 ：SADD （添加元素）、SREM （移除元素）、SMEMBERS （获取所有元素）、SCARD （获取元素数量）、SINTER （交集）、SUNION （并集）、SDIFF （差集）等。
• 典型场景 ：社交应用中的共同好友查找、文章推荐中的过滤重复数据等。

4. Sorted Set（有序集合）

• 特点 ：集合中的每个元素都关联一个分数（score），元素按分数从小到大排序。既可按元素的分数范围查询，也可按元素的排名查询。
• 常用操作 ：ZADD （添加元素）、ZREM （移除元素）、ZRANK （获取元素排名）、ZSCORE （获取元素分数）、ZRANGE （按排名范围获取元素）、ZREVRANGE （按倒序排名范围获取元素）等。
• 典型场景 ：排行榜系统（如游戏得分排行榜）、任务队列（任务按优先级处理）等。

5. Hash（哈希）

• 特点 ：存储键值对的映射关系，类似于 Java 中的 Map。可以方便地将一个对象的多个字段存储为一个哈希表结构。
• 常用操作 ：HSET （设置字段值）、HGET （获取字段值）、HGETALL （获取所有字段和值）、HDEL （删除字段）等。
• 典型场景 ：存储对象属性（如用户信息包括用户名、邮箱、年龄等）、商品信息等。

除了这些常见的数据结构，Redis 还支持其他一些数据结构，如 BitMaps、HyperLogLog、Stream 等，用于更复杂或特定场景的数据处理。

Redis 为什么这么快？

Redis 是一种高性能的内存型数据库，具有极快的读写速度，主要有以下原因：

内存存储和执行模型

• 内存存储：Redis 将数据存储在内存中，内存的读写速度远高于磁盘。磁盘的随机访问时间在几毫秒级别，而内存的访问时间在纳秒级别，因此 Redis 的读写操作非常快速。此外，Redis 的数据页在刷盘时可以高效地进行回写操作。
• 单线程模型：Redis 采用单线程处理请求，这避免了线程切换的开销。其内部基于 I/O 多路复用模型，能够高效地处理大量的客户端连接，从而提升性能。

内存管理

• 透明的大页内存分配：Redis 使用透明的大页内存分配方式，减少了内存分配的开销。它实现了一个高效的内存分配器，可以快速分配和释放内存。
• 仅共享对象机制：当多个地方需要使用相同的字符串值时，Redis 会创建共享对象，通过引用计数方式共享，避免重复存储，节省时间和空间。

数据结构

• 多种高效数据结构：Redis 提供了丰富的数据结构，如字符串（String）、列表（List）、集合（Set）、有序集合（Sorted Set）、哈希（Hash）等。这些数据结构经过优化，其操作的时间复杂度较低，适合快速访问和处理数据。
• 跳跃表的高效实现：在有序集合（Sorted Set）中，Redis 使用了高效实现的跳跃表，使得范围查询等操作能够快速完成。

Redis 的命令

• 命令的简单性：大部分 Redis 命令是基于简单的字符串的关键字和参数，这使得 Redis 的命令处理非常高效。
• 高效的命令执行：Redis 的命令实现经过优化，可以在内存中快速执行，减少了执行时间。

Redis 的复制和持久化

• 只读副本的快速数据读取：通过主从复制，Redis 可以创建只读副本，用户可以从副本中读取数据，从而快速获取数据。
• 高效的持久化机制：Redis 提供了 RDB 和 AOF 两种持久化机制。RDB 是快照持久化，定期将内存中的数据集保存到磁盘；AOF 是日志持久化，记录命令追加日志，数据集重建时进行读取和复现。这两种机制在保证数据不丢失的情况下，尽量减少了持久化的开销。

其他因素

• Redis 的无阻塞同步机制：Redis 在进行主从复制时，从节点获取主节点的数据后，主节点可以继续处理其他命令，不会阻塞。
• Redis 的缓存机制：作为缓存数据库，Redis 存储热点数据，直接从缓存中获取数据，避免了频繁访问后端数据库，提高了整体性能。

综上所述，Redis 的高性能主要得益于其内存存储、高效的内存管理、优化的数据结构、简单的命令设计、可靠的复制和持久化机制以及无阻塞同步机制等多方面的因素。

为什么 Redis 设计为单线程？6.0 版本为何引入多线程？

Redis 设计为单线程的原因

避免上下文切换和锁竞争：单线程模型避免了多线程环境下的上下文切换和锁竞争，减少了系统开销，提高了性能。

简单高效：单线程模型使得代码实现更简单，减少了复杂性和潜在的错误，方便开发和调试。

原子性：所有操作在单线程中顺序执行，保证了操作的原子性。

性能瓶颈不在 CPU：Redis 的主要性能瓶颈在于内存或网络带宽，而不是 CPU。单线程模型在这种情况下能够高效地利用资源。

非阻塞 I/O 和 I/O 多路复用：Redis 使用非阻塞 I/O 和 I/O 多路复用技术（如 epoll），可以同时监听多个客户端连接，处理大量的并发请求。

Redis 6.0 版本引入多线程的原因

提升网络 I/O 性能：Redis 的主要性能瓶颈在于网络 I/O，尤其是在高并发场景下。多线程可以将网络 I/O 操作分配到多个线程并行处理，显著提升网络吞吐量和降低延迟。

充分利用多核 CPU：现代服务器普遍配备多核 CPU，而单线程模型只能利用一个 CPU 核心。多线程可以充分利用多核 CPU 的计算能力，提高整体性能。

优化资源利用：在高负载场景下，单线程模型可能导致 CPU 和内存资源的浪费。多线程可以更高效地利用系统资源，减少请求的等待时间。

保持核心逻辑的简单性和一致性：Redis 6.0 的多线程模型采用了混合设计，网络 I/O 操作由多个线程并行处理，而命令执行仍然由单线程顺序执行。这种设计既保留了单线程模型的简单性和一致性优势，又通过多线程提升了网络 I/O 的性能。