Redis設計思路總結

本文從網絡模型、數據結構和內存管理、持久化和多機協做四個角度對redis的設計思路進行分析。
一.網絡模型

Redis是典型的基於Reactor的事件驅動模型，單進程單線程，高效的框架老是相似的。網絡模型與spp的異步模型幾乎一致。

Redis流程上總體分爲接受請求處理器、響應處理器和應答處理器三個同步模塊，每個請求都是要經歷這三個部分。

Redis集成了libevent/epoll/kqueue/select等多種事件管理機制，能夠根據操做系統版本自由選擇合適的管理機制，其中libevent是最優選擇的機制。

Redis的網絡模型有着全部事件驅動模型的優勢，高效低耗。可是面對耗時較長的操做的時候，一樣沒法處理請求，只能等到事件處理完畢才能響應。因此瞭解清楚網絡模型有助於在業務中揚長避短，減小長耗時的請求，儘量多一些簡單的短耗時請求發揮異步模型的最大的威力。

二.數據結構和內存管理

1.字符串

1.1 內存管理方式

動態內存管理方式，動態方式最大的好處就是可以較爲充分的利用內存空間，減小內存碎片化，與此同時帶來的劣勢就是容易引發頻繁的內存抖動，一般採用「空間預分配」和「惰性空間釋放」兩種優化策略來減小內存抖動，redis也不例外。

每次修改字符串內容時，首先檢查內存空間是否符合要求，不然就擴大2倍或者按M增加;減小字符串內容時，內存並不會馬上回收，而是按需回收。

關於內存管理的優化，最基本的出發點就是浪費一點空間仍是犧牲一些時間的權衡，像STL、tcmalloc、protobuf3的arena機制等採用的核心思路都是「預分配遲迴收」，Redis也是同樣的。

1.2 二進制安全

判斷字符串結束與否的標識是len字段，而不是C語言的’\0’，所以是二進制安全的。

放心的將pb序列化後的二進制字符串存入redis。

簡而言之，經過redis的簡單封裝，redis的字符串的操做更加方便，性能更友好，而且屏蔽了C語言字符串的一些須要用戶關心的問題。

2.字典(哈希)

字典的底層必定是hash，涉及到hash必定會涉及到hash算法、衝突的解決方法和hash表擴容和縮容。

2.1 hash算法

　　Redis使用的就是經常使用的Murmurhash2，Murmurhash算法可以給出在任意輸入序列下的散列分佈性，而且計算速度很快。以前作共享內存的Local-Cache的需求時也正是利用了Murmurhash的優點，解決了原有結構的hash函數散列分佈性差的問題。

2.2 hash衝突解決方法

鏈地址法解決hash衝突，通用解決方案沒什麼特殊的。多說一句，若是選用鏈地址解決衝突，那麼勢必要有一個散列性很是好的hash函數，不然hash的性能將會大大折扣。Redis選用了Murmurhash，因此能夠放心大膽的採用鏈地址方案。

3.整數集合

變長整數存儲，整數分爲16/32/64三個變長尺度，根據存入的數據所屬的類型，進行規劃。

每次插入新元素都有可能致使尺度升級(例如由16位漲到32位)，所以插入整數的時間複雜度爲O(n)。這裏也是一個權衡，內存空間和時間的一個折中，儘量節省內存。

4.跳躍表

Redis的skilplist和普通的skiplist沒什麼不一樣，都是冗餘數據實現的從粗到細的多層次鏈表，Redis中應用跳錶的地方很少，常見的就是有序集合。

5.鏈表

Redis的鏈表是雙向非循環鏈表，擁有表頭和表尾指針，對於首尾的操做時間複雜度是O(1)，查找時間複雜度O(n)，插入時間複雜度O(1)。

三.AOF和RDB持久化

AOF持久化日誌，RDB持久化實體數據，AOF優先級大於RDB。

1.AOF持久化

機制：經過定時事件將aof緩衝區內的數據定時寫到磁盤上。

2.AOF重寫

爲了減小AOF大小，Redis提供了AOF重寫功能，這個重寫功能作的工做就是建立一個新AOF文件代替老的AOF，而且這個新的AOF文件沒有一條冗餘指令。(例如對list先插入A/B/C，後刪除B/C，再插入D共6條指令，最終狀態爲A/D，只需1條指令就能夠)

實現原理就是讀現有數據庫的狀態，根據狀態反推指令，跟以前的AOF無關。一樣，爲了不長時間耗時，重寫工做放在子進程進行。

3.RDB持久化

SAVE和BGSAVE兩個命令都是用於生成RDB文件，區別在於BGSAVE會fork出一個子進程單獨進行，不影響Redis處理正常請求。定時和定次數後進行持久化操做。

簡而言之，RDB的過程實際上是比較簡單的，知足條件後直接去寫RDB文件就結束了。

四.多機和集羣

1.主從服務器

避免單點是全部服務的通用問題，Redis也不例外。解決單點就要有備機，有備機就要解決固有的數據同步問題。

1.1 sync——原始版主從同步

Redis最初的同步作法是sync指令，經過sync每次都會全量數據，顯然每次都全量複製的設計比較消耗資源。改進思路也是常規邏輯，第一次全量，剩下的增量，這就是如今的psync指令的活。

1.2 psync

部分重同步實現的技術手段是「偏移序號+積壓緩衝區」，具體作法以下：

(1)主從分別維護一個seq，主每次完成一個請求便seq+1，從每同步完後更新本身seq;

(2)從每次打算同步時都是攜帶着本身的seq到主，主將自身的seq與從作差結果與積壓緩衝區大小比較，若是小於積壓緩衝區大小，直接從積壓緩衝區取相應的操做進行部分重同步;

(3)不然說明積壓緩衝區不可以cover掉主從不一致的數據，進行全量同步。

本質作法用空間換時間，顯然在這裏犧牲部分空間換回高效的部分重同步，收益比很大。

2.Sentinel

本質：多主從服務器的Redis系統，多臺主從上加了管理監控，以保證系統高可用性。