Redis架构那些复杂又精彩的设计细节，背后到底藏了啥秘密？

主要综合自知乎技术专栏“Redis深度历险”、掘金小册“Redis核心原理与实践”以及多位资深技术博主如“程序员囧辉”、“小林coding”等关于Redis的架构解析文章）

Redis之所以能这么快，成为互联网公司必备的利器，可不是简单地因为它把数据放在内存里就完事了，它肚子里藏着好多精妙的设计，就像一台跑车，不光有强劲的发动机，还有高效的传动系统和轻量化的车身，咱们就掰开揉碎，看看这些复杂又精彩的设计细节背后,到底有啥秘密。

第一，秘密藏在“单线程”里。 很多人一听说Redis是单线程模型，第一反应是：这不会成为性能瓶颈吗？这恰恰是Redis最巧妙的地方之一，这个“单线程”指的是处理网络请求和数据操作的核心模块（核心命令的执行）是单线程的，你可能会想，现在服务器都是多核CPU，用多线程不是能榨干CPU性能吗？但Redis的设计者考虑的是另一个问题：避免不必要的复杂性，多线程虽然能利用多核，但会带来恐怖的线程切换开销和锁的竞争，想象一下，多个线程同时去抢着修改同一个内存数据，为了保证不出错，就得加锁，一加锁，线程就可能要等待，反而降低了效率，Redis干脆利落，就用一个线程按顺序处理所有命令，这样完全避免了锁的问题，代码更简单，可维护性更强，那怎么利用多核呢？很简单，一个Redis实例吃不饱，那就多部署几个实例,组成集群。

第二，秘密藏在“多路复用”这个看门大爷身上。 单线程怎么能同时应对成千上万个客户端的连接请求呢？难道要排队吗？这里就用到了I/O多路复用技术，你可以把Redis的单线程想象成一个非常高效的“看门大爷”，这个大爷不用一个个去问门口排队的人你要干啥（传统的阻塞I/O），而是坐在监控室（内核），监控着所有连接（文件描述符），哪个连接有数据来了（客户端发来了命令），监控就响了，大爷就过去处理这个连接的任务，处理完了马上回来继续盯着监控，这个技术，让一个线程能高效地处理大量网络连接，CPU根本不会闲着，在Linux系统上，这个“看门大爷”最开始用的是select/poll，后来升级成了更高效的epoll,这就是Redis高并发的基石。

第三，秘密藏在“数据结构”这个万能工具箱里。 Redis的快，不光是因为内存，还因为它为不同的数据场景量身打造了高效的数据结构，它可不是简单地把数据扔进内存就完事了，它不光有简单的String（字符串），还有List（列表）、Hash（哈希）、Set（集合）、Sorted Set（有序集合），这些都不是花架子，而是有真本事的，它的List底层实现可能是双向链表或者压缩列表，快速进行插入删除；它的Hash结构在数据量小时用压缩列表节省内存，数据量大时自动升级为哈希表保证性能；它的Sorted Set用跳跃表（SkipList）和哈希表结合，既能快速范围查询，又能快速单点查找，这种针对性的设计，使得我们使用Redis时，可以根据业务场景选择最合适的数据结构,从底层就保证了操作的效率。

第四，秘密藏在“持久化”这个保险柜里。 数据都在内存里，服务器断电了怎么办？Redis设计了两种主要的持久化机制，相当于给内存中的数据上了双保险，一个是RDB（快照），就像给数据库拍一张完整的照片存到磁盘上，这个过程可以定时执行，也可以手动触发，虽然恢复数据快，但可能会丢失最后一次快照之后的数据，另一个是AOF（追加日志），它不拍照片，而是像个记账先生，把每一个写命令都记录下来，这样即使服务器宕机，重启后把记录的命令重新执行一遍，就能恢复数据，数据安全性高很多，Redis还允许你同时开启两种方式，用AOF保证数据不丢失，用RDB做冷备和快速恢复,两者取长补短。

第五，秘密藏在“过期键”的清理策略里。 Redis可以给Key设置过期时间，那这些过期的Key是怎么被清理掉的呢？它可不是傻傻地实时检查每个Key有没有过期，那样太耗CPU了，它用了两种聪明的策略结合：惰性删除 和 定期删除，惰性删除就是，当你去访问一个Key的时候，才顺带检查一下它是否过期，如果过期就删除，这解决了访问频繁的Key的及时清理问题，但如果有Key一直没人访问，岂不是永远留在内存里成了垃圾？所以又有了定期删除：Redis会每隔一段时间（默认100毫秒）随机抽取一部分设置了过期时间的Key，检查并删除其中已过期的，通过这种概率性的方式，分批分期地清理，既不影响主线程的性能,又能最终清理掉大部分过期数据。

Redis的秘密不是一个单一的“银弹”，而是一整套环环相扣的精巧设计：用单线程模型避免锁的竞争，用I/O多路复用来处理海量连接，用丰富的数据结构提升数据操作效率，用灵活的持久化机制保证数据安全，再用智能的过期策略来管理内存，这些设计背后，体现的是一种对“简单”和“高效”的极致追求,这才是Redis真正强大和迷人的地方。