Redis 底层原理
2025/12/12大约 4 分钟
Redis 底层原理
数据结构、线程模型、网络模型。
线程模型
Redis 是单线程还是多线程？
| 版本 | 命令执行 | 其他操作 |
|---|---|---|
| 6.0 前 | 单线程 | 持久化、删除等使用子进程 |
| 6.0+ | 单线程 | 网络 IO 可以多线程 |
核心命令执行始终是单线程！
为什么单线程还这么快？
| 原因 | 说明 |
|---|---|
| 纯内存操作 | 微秒级响应 |
| IO 多路复用 | 单线程处理多连接 |
| 高效数据结构 | 专门优化的数据结构 |
| 单线程无锁 | 避免上下文切换和锁竞争 |
Redis 6.0 多线程
# redis.conf
io-threads 4 # IO 线程数
io-threads-do-reads yes # 读也使用多线程
# 多线程只用于网络 IO，命令执行仍是单线程 客户端请求
↓
┌──────────────┐
│ IO 多线程 │ ← 读取请求、写入响应
└──────┬───────┘
↓
┌──────────────┐
│ 主线程执行 │ ← 命令执行（单线程）
└──────────────┘网络模型
IO 多路复用
Redis 使用 IO 多路复用处理多个客户端连接。
┌─────────────────────────────────┐
│ Event Loop │
│ ┌─────────────────────────┐ │
│ │ epoll/kqueue/select │ │
│ └────────────┬────────────┘ │
│ ↓ │
│ ┌─────────────────────────┐ │
│ │ 事件处理器 │ │
│ │ • 连接处理器 │ │
│ │ • 命令处理器 │ │
│ │ • 响应处理器 │ │
│ └─────────────────────────┘ │
└─────────────────────────────────┘
↑ ↑ ↑
Client1 Client2 Client3事件类型
| 事件 | 说明 |
|---|---|
| 文件事件 | 客户端连接、读写 |
| 时间事件 | 定时任务（serverCron） |
事件处理流程
1. 客户端发起连接
2. 触发 AE_READABLE 事件
3. 连接处理器创建客户端对象
4. 客户端发送命令
5. 触发 AE_READABLE 事件
6. 命令处理器执行命令
7. 触发 AE_WRITABLE 事件
8. 响应处理器返回结果数据结构
底层数据结构
| 结构 | 说明 | 用途 |
|---|---|---|
| SDS | 简单动态字符串 | String |
| IntSet | 整数集合 | 小 Set |
| Dict | 哈希表 | Hash、Set、ZSet |
| ZipList | 压缩列表 | 小 List、Hash、ZSet |
| QuickList | 快速列表 | List |
| SkipList | 跳表 | ZSet |
| Listpack | 紧凑列表（Redis 7.0+） | 替代 ZipList |
SDS（简单动态字符串）
struct sdshdr {
int len; // 已使用长度
int alloc; // 分配的空间
char flags; // 类型标志
char buf[]; // 字符数组
};SDS vs C 字符串：
| 特性 | C 字符串 | SDS |
|---|---|---|
| 获取长度 | O(n) | O(1) |
| 缓冲区溢出 | 可能 | 不会 |
| 修改字符串 | 每次都分配 | 预分配 + 惰性释放 |
| 二进制安全 | ❌ | ✅ |
Dict（哈希表）
typedef struct dict {
dictType *type;
dictEntry **ht_table[2]; // 两个哈希表，用于 rehash
long rehashidx; // rehash 进度，-1 表示未进行
// ...
} dict;渐进式 rehash：
1. 分配新哈希表 ht[1]
2. rehashidx = 0
3. 每次操作时迁移 ht[0] 的部分数据到 ht[1]
4. 全部迁移完成后交换 ht[0] 和 ht[1]
5. rehashidx = -1ZipList（压缩列表）
┌─────────────────────────────────────────────────┐
│ zlbytes │ zltail │ zllen │ entry1 │ entry2 │ zlend │
└─────────────────────────────────────────────────┘
entry 结构:
┌──────────────────┬─────────┬─────────┐
│ prevlen (1/5字节)│ encoding│ data │
└──────────────────┴─────────┴─────────┘优点： 内存紧凑
缺点： 连锁更新风险（prevlen 从 1 字节变 5 字节）
SkipList（跳表）
Level 4: 1 ────────────────────────────→ 9
Level 3: 1 ────────→ 5 ────────────────→ 9
Level 2: 1 ────→ 3 → 5 ────→ 7 ────────→ 9
Level 1: 1 → 2 → 3 → 4 → 5 → 6 → 7 → 8 → 9特点：
- 平均查找复杂度 O(log n)
- 每个节点有多层指针
- 适合范围查询
数据类型与底层结构
| 类型 | 编码 |
|---|---|
| String | int、embstr、raw |
| List | quicklist（ziplist + 链表） |
| Hash | listpack（小）、hashtable（大） |
| Set | intset（整数）、hashtable |
| ZSet | listpack（小）、skiplist + hashtable（大） |
编码转换条件
# Hash
hash-max-listpack-entries 512
hash-max-listpack-value 64
# List
list-max-listpack-size -2 # 每个节点最大 8KB
# Set
set-max-intset-entries 512
# ZSet
zset-max-listpack-entries 128
zset-max-listpack-value 64过期策略
删除策略
| 策略 | 说明 | 优缺点 |
|---|---|---|
| 惰性删除 | 访问时检查是否过期 | 内存不及时释放 |
| 定期删除 | 定时随机检查并删除 | CPU 消耗 |
Redis 采用惰性删除 + 定期删除。
定期删除算法
每次执行：
1. 从有过期时间的 key 中随机取 20 个
2. 删除其中已过期的 key
3. 如果过期 key 超过 25%，重复步骤 1
4. 最多执行 25ms内存管理
对象结构
typedef struct redisObject {
unsigned type:4; // 类型（string/list/hash/set/zset）
unsigned encoding:4; // 编码方式
unsigned lru:24; // LRU 时间或 LFU 计数
int refcount; // 引用计数
void *ptr; // 指向实际数据
} robj;内存分配
Redis 内存分配器：
├── jemalloc（默认，推荐）
├── tcmalloc
└── libc malloc
jemalloc 特点：
├── 减少内存碎片
├── 多线程性能好
└── 支持内存统计共享对象
Redis 启动时创建共享对象：
├── 0-9999 的整数
├── 常用字符串（OK、ERR 等）
└── 空对象通信协议
RESP 协议
简单字符串：+OK\r\n
错误：-ERR unknown command\r\n
整数：:1000\r\n
批量字符串：$6\r\nfoobar\r\n
数组：*2\r\n$3\r\nGET\r\n$3\r\nkey\r\n
空：$-1\r\n 或 *-1\r\n客户端发送
SET key value
→ *3\r\n$3\r\nSET\r\n$3\r\nkey\r\n$5\r\nvalue\r\n服务端响应
+OK\r\n # SET 成功
$5\r\nvalue\r\n # GET 返回 value