Redis 之所以能够实现极高的性能（单机可达 10万+ QPS），核心在于其高效的数据结构设计、纯内存操作、单线程事件循环模型和I/O 多路复用机制。以下从设计原理、I/O 多路复用实现、源码解析三个维度深入剖析。

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一、Redis 为什么快？核心设计原理

1. 纯内存存储

• 数据完全驻留内存：读写操作无需磁盘 I/O，避免传统数据库的磁盘寻道和机械延迟。
• 数据结构优化：Redis 的键值对基于高效的自定义数据结构（如哈希表、跳表、压缩列表），时间复杂度为 O(1) 或 O(log n)。

2. 单线程模型

• 避免锁竞争：单线程处理所有命令，无需多线程同步（如互斥锁、CAS），减少上下文切换开销。
• 无并发冲突：原子操作（如 INCR）天然线程安全。
• CPU 不是瓶颈：Redis 的性能瓶颈通常是网络 I/O 或内存带宽，而非 CPU 计算能力。

3. I/O 多路复用

• 单线程处理高并发连接：通过操作系统提供的多路复用 API（如 epoll）监听大量 socket，仅处理就绪事件。
• 非阻塞 I/O：所有网络操作（如 read/write）设置为非阻塞模式，避免线程阻塞。

4. 其他优化

• 协议简单：RESP（Redis Serialization Protocol）二进制紧凑，解析高效。
• 管道化（Pipeline）：客户端可批量发送命令，减少网络往返时间（RTT）。

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二、I/O 多路复用模型详解

1. 核心概念

• 问题：传统阻塞 I/O 需要为每个连接分配线程，资源消耗大；非阻塞 I/O 轮询会导致 CPU 空转。
• 解决方案：通过操作系统提供的多路复用机制（select/poll/epoll/kqueue），单线程监听多个 socket 事件，仅处理活跃连接。

2. Redis 的事件驱动架构

Redis 使用 Reactor 模式，核心组件：

• 事件分发器（Event Loop）：监听 socket 事件（如可读、可写）。
• 事件处理器（Command Handler）：执行命令并返回结果。

工作流程：

1. 客户端连接 Redis，主 socket（监听端口）接收连接请求。
2. 新连接的 socket 被注册到事件循环（aeEventLoop），监听可读事件。
3. 当客户端发送命令时，内核通知 Redis 事件就绪。
4. Redis 读取命令、执行并写入响应，全程无阻塞。

3. 多路复用 API 的选择

Redis 根据操作系统自动选择最高效的 API：

API	操作系统	原理	时间复杂度
epoll	Linux	基于事件回调，内核维护红黑树存储 fd，哈希表存储就绪事件	O(1)
kqueue	FreeBSD/macOS	类似 epoll ，支持更多事件类型（如文件变化、信号）	O(1)
select	跨平台	遍历所有 fd 检查就绪状态	O(n)
poll	跨平台	改进版 select ，无 fd 数量限制	O(n)

为什么 Redis 优先用 epoll？

• 高效事件通知：仅返回就绪的 fd，无需遍历所有连接。
• 支持高并发：内核数据结构（红黑树+哈希表）支持海量 fd。

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三、源码解析：I/O 多路复用的实现

1. 事件循环初始化（ae.c）

Redis 抽象了事件循环结构体 aeEventLoop，关键字段：

typedef struct aeEventLoop {
    int maxfd;                   // 当前最大文件描述符
    int setsize;                // 最大监听 fd 数量
    aeFileEvent *events;        // 注册的文件事件数组（索引为 fd）
    aeFiredEvent *fired;       // 已触发的事件数组
    aeApiState *apidata;       // 底层多路复用 API 的数据（如 epoll 实例）
    // ...（其他字段省略）
} aeEventLoop;

初始化时调用 aeApiCreate，底层选择 epoll/kqueue：

static int aeApiCreate(aeEventLoop *eventLoop) {
    aeApiState *state = zmalloc(sizeof(aeApiState));
    state->epfd = epoll_create(1024); // 创建 epoll 实例
    eventLoop->apidata = state;
    return 0;
}

2. 事件注册（ae_epoll.c）

当新连接到达时，Redis 调用 aeCreateFileEvent 注册可读事件：

int aeCreateFileEvent(aeEventLoop *eventLoop, int fd, int mask, aeFileProc *proc, void *clientData) {
    aeFileEvent *fe = &eventLoop->events[fd];
    if (aeApiAddEvent(eventLoop, fd, mask) == -1) // 调用 epoll_ctl
        return -1;
    fe->mask |= mask;
    fe->rfileProc = proc; // 设置读事件回调函数（如 readQueryFromClient）
    fe->clientData = clientData;
    return 0;
}

底层 epoll_ctl 将 fd 加入监听：

static int aeApiAddEvent(aeEventLoop *eventLoop, int fd, int mask) {
    struct epoll_event ee;
    ee.events = 0;
    if (mask & AE_READABLE) ee.events |= EPOLLIN;  // 监听可读事件
    if (mask & AE_WRITABLE) ee.events |= EPOLLOUT; // 监听可写事件
    epoll_ctl(state->epfd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &ee); // 注册到 epoll
}

3. 事件分发（ae.c）

主循环调用 aeProcessEvents 处理就绪事件：

int aeProcessEvents(aeEventLoop *eventLoop, int flags) {
    // 调用 epoll_wait 等待事件（超时时间由最近的时间事件决定）
    numevents = aeApiPoll(eventLoop, tvp);
    for (j = 0; j < numevents; j++) {
        aeFileEvent *fe = &eventLoop->events[eventLoop->fired[j].fd];
        if (fe->mask & AE_READABLE) {
            fe->rfileProc(eventLoop, fd, fe->clientData, mask); // 执行读回调
        }
        if (fe->mask & AE_WRITABLE) {
            fe->wfileProc(eventLoop, fd, fe->clientData, mask); // 执行写回调
        }
    }
}

底层 epoll_wait 获取就绪事件：

static int aeApiPoll(aeEventLoop *eventLoop, struct timeval *tvp) {
    aeApiState *state = eventLoop->apidata;
    epoll_wait(state->epfd, state->events, eventLoop->setsize, timeout_ms);
    // 将就绪事件填充到 eventLoop->fired 数组
}

4. 命令执行流程

1. 读取命令：readQueryFromClient 从 socket 读取数据到输入缓冲区。
2. 解析命令：processInputBuffer 解析 RESP 协议，调用 processCommand。
3. 执行命令：根据命令表（redisCommandTable）执行对应函数（如 setCommand）。
4. 写入响应：将结果写入客户端输出缓冲区，等待 socket 可写时发送。

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四、性能对比与调优

1. 单线程 vs 多线程

模型	优点	缺点
单线程	无锁竞争，代码简单	无法利用多核 CPU
多线程	利用多核，适合 CPU 密集型任务	需处理线程安全，复杂度高

Redis 6.0 后的多线程：
仅限网络 I/O 多线程（如 read/write），命令执行仍为单线程，避免锁竞争。

2. 关键配置参数

• maxclients：最大连接数（默认 10000）。
• tcp-backlog：TCP 队列长度（建议 > maxclients）。
• io-threads：I/O 线程数（Redis 6.0+）。

3. 监控与调优

• **slowlog**：记录慢查询（如 CONFIG SET slowlog-log-slower-than 10000）。
• **INFO commandstats**：统计命令耗时。
• 避免大键：如 KEYS * 会阻塞事件循环。

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五、总结

Redis 的高性能源于：

1. I/O 多路复用：通过 epoll/kqueue 实现单线程高并发。
2. 单线程模型：避免锁竞争，简化设计。
3. 内存存储：数据操作均在内存中完成。
4. 高效数据结构：如哈希表、跳表等。

源码核心：

• 事件循环（aeEventLoop）抽象了多路复用 API。
• epoll_ctl 注册事件，epoll_wait 等待就绪事件。
• 回调机制（如 rfileProc）解耦事件监听与业务逻辑。