【搞定面试官】系列：字节面试官的灵魂三问，为何Redis这么快，怎样支撑高并发，如何解决并发竞争问题

前言

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Redis是当前煊赫一时的NoSQL数据库，几乎已经成为高并发、高可用系统的标配了。如果对Redis响应快的认知仅仅停留在基于内存和单线程的层面，恐怕是很难斩获大厂的Offer。本篇重点全面介绍Redis的单线程模型及如何支撑高并发的。

1 Redis彻底基于内存

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Redis可以支撑高并发的第一个重要的缘由就是彻底基于内存，这在很大程度上避免了诸如MySQL等关系型数据库须要频繁的磁盘I/O（磁盘I/O的寻道时间、旋转延迟、传输时间等很耗时，皆是ms级的开销，而基于内存基本都是ns级的开销，彻底不是一个数量级）。

2 Redis的线程模型

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2.1 阻塞式I/O模型Blocking I/O

说到I/O模型，你们必定能想到传统意义上的Blocking I/O，该模型的工做方式是：当对某一个文件描述符（File Descriptor，如下简称FD）读写时，若是当前FD不可读或不可写，则不会对其它进程的操做作出响应，致使总体服务不可用。

文件描述符：在形式上是一个非负整数。实际上它指向内核为每个进程所维护的该进程打开文件的记录表。

2.2 I/O多路复用

在 I/O 多路复用模型中，最重要的函数调用就是 select，该方法的可以同时监控多个文件描述符的可读可写状况，当其中的某些文件描述符可读或者可写时，select 方法就会返回可读以及可写的文件描述符个数。

2.3 Redis的单线程模型

Redis内部使用文件事件处理器File event handler，该处理器是单线程的，因此Redis才叫作单线程模型。它采用 I/O 多路复用机制同时监听多个 Socket，根据 Socket上的事件来选择对应的事件处理器进行处理。Redis服务采用Reactor的方式来实现文件事件处理器，以下图所示：

综上分析，Redis支撑高并发的第二个缘由就是基于非阻塞式的I/O多路复用机制，是单线程模型，这在很大程度上避免了多线程频繁上下文切换的消耗。

3 Redis丰富灵活的数据类型

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Redis提供了string、hash、list、set、sorted set五种基本数据结构，而且还包含了HyperLogLog、Pub/Sub等多种扩展的优秀数据结构。
Redis中数据结构不只仅是丰富，阅读源码你还会发现，设计也很巧妙很灵活，如string底层不一样于C语言的实现，而是经过一种SDS(Simple Dynamic String)结构实现的，本质上是一个带长度信息的字节数组。这里少侠以字典hash为例，介绍Redis是如何作到快速响应的。

3.1 hash内部结构

Redis中的hash和Java中的HashMap几乎同样，都是经过分桶的方式存储元素并解决hash冲突，第一维是数组，第二维是链表，以下图所示，数组中保存的是链表中第一个元素的指针。

3.2 hash函数的选择

在介绍Redis的hash函数前，少侠想先引入一个概念：hash攻击，简而言之，就是由于hash函数具备偏向性，黑客会根据这种偏向性进行攻击，致使hash的链表长度极不均匀，甚至全部的元素都集中到一个链表，最终会致使查询性能急剧降低（从O(1)退化到O(n)）。

那么Redis如何设计hash函数的呢？不一样于Java中的hash算法，Redis实际上采用了一种称为siphash算法，这个算法是兼顾了随机性和性能的结果。

3.3 渐进式rehash

说到hash，不可避免的就是扩容，可是Redis是单线程的，而且一些热点数据频繁被请求，若是此时扩容Redis很难承受这样的耗时过程。因此Redis采用了渐进式rehash策略。
渐进式rehash会在rehash的同时，保留新旧两个hash结构，以下图所示，查询时会同时查询两个hash结构，而后会在操做指令(hget,hdel)中实现数据迁移，可是若是客户端一直没有命令来触发此类操做，Redis会在定时任务中主动对hash进行数据迁移。

4 Redis如何解决并发竞争问题

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• 客户端加锁（ReentrantLock或synchronized），但此方式只限于单机加锁，没法解决分布式系统的并发竞争问题。
• 乐观锁（redis 的命令 watch）：
  当执行多键值事务操做时，Redis 不只要求这些键值须要落在同一个 Redis 实例上，还要求落在同一个 slot 上，因此 redis 的事务比较鸡肋，不过能够想办法遵循 redis 内部的分片算法把设计到的全部 key 分到同一个 slot。
• redis 的 setnx 实现分布式锁：
  要设置超时时间，防止抢占到锁的客户端因失败、崩溃或其余缘由没有办法释放锁而形成死锁。

小结

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Redis为什么这么快实际上是个涉及面很普遍的问题，面试者若是仅仅停留在基于内存和多路IO复用这些概念层的理解，在面试中是要吃亏的。熟练运用，深刻原理才能在面试中斩获佳绩。

我是少侠露飞，热爱技术，热爱分享。