一、redis概述
（一）什么是redis？
Redis（Remote Dictionary Server）是一个开源的、基于内存的、可选持久化的日志型Key-Value数据库编写，支持网络操作，并提供多种语言的API。Redis支持多种数据结构，包括字符串（string）、列表（list）、集合（set）、有序集合（zset）和哈希（hash），并且这些数据类型都支持丰富的操作，如push/pop、add/remove以及取交集、并集和差集等，这些操作都是原子性的。
Redis将数据存储在内存中，以保证高速的读写操作，同时支持将数据周期性地写入磁盘或记录追加操作，以实现持久化。它还支持主从同步，允许数据从主服务器复制到多个从服务器，以确保数据的高可用性和备份。
Redis的性能非常高，它在某些测试中实现了每秒读取110,000次和写入81,000次的速度。为了实现高并发性能，Redis使用非阻塞I/O和IO多路复用技术，如epoll（在Linux上）。 此外，Redis还提供了多种特性，如发布/订阅、Lua脚本、事务、管道、位图、键过期和哨兵监控机制等。它的一些优势包括简单稳定的源码、单线程模型、快速的单节点读写速度、丰富的数据类型、数据持久化能力、数据备份功能以及原子性操作。
总的来说，Redis是一个高性能、多功能的Key-Value数据库，适用于多种应用场景，如数据库、缓存和消息中间件，并且在计时器、消息队列、排行榜、社交网络等领域有广泛的应用。
（二）redis为什么这么快？
1.redis单线程
主要是指Redis的网络IO和键值对读写是由一个线程来完成的，Redis在处理客户端的请求时包括获取 (socket 读)、解析、执行、内容返回 (socket 写) 等都由一个顺序串行的主线程处理，这就是所谓的"单线程"。这也是Redis对外提供键值存储服务的主要流程。
2.redis采用多路复用的技术
从 redis6.x 开始采 ⽤ io 多路复⽤ ，让 单个线程⾼效的处理多个连接请求 （尽量减少⽹络 IO 的时间消耗），将最耗时的 Socket 的 读取、请求解析、写⼊单独 外包
出去，剩下的 命令执⾏仍然由主线程串⾏执⾏并和内存的数据交互 。
（三）redis的数据结构
Redis⽀持五种主要数据结构：字符串（Strings）、列表（Lists）、哈希表（Hashes）、集合（Sets）和有序集合（Sorted Sets）。这些数据结构为开发者提供了灵活
的数据操作⽅式，满⾜了不同场景下的数据存储需求。
• 字符串（Strings）：最基本的数据类型，可以包含任何数据，如数字、字符串、⼆进制数据等。在Redis中，字符串是⼆进制安全的，这意味着它们可以有任何⻓度，
并且不会因为包含空字符⽽被截断。
• 列表（Lists）：简单的字符串列表，按照插⼊顺序排序。你可以添加⼀个元素到头部（左边）或者尾部（右边）。
• 哈希表（Hashes）：是键值对的集合，是字符串类型的字段和值的映射表。适合存储对象。
• 集合（Sets）：是字符串类型的⽆序集合。它是通过哈希表实现的，可以做到添加、删除、查找的时间复杂度都是O(1)。
• 有序集合（Sorted Sets）：和Sets相似，但每个字符串元素都会关联⼀个浮点数类型的分数。元素的分数⽤来排序，如果两个成员有相同的分数，那么他们的排名按
照字典序计算。
1.简单动态字符串
优势
• 预分配：SDS会为buf分配额外的未使⽤空间（通过free字段记录），这意味着当你向⼀个SDS字符串追加内容时，如果未使⽤空间⾜够，Redis就不需要重新分配内存。这减少了内存分配次数，从⽽提⾼了性能。
• 常数时间复杂度获取字符串⻓度：由于SDS结构内部维护了⼀个len字段来记录字符串的当前⻓度，获取字符串⻓度的操作可以在常数时间复杂度O(1)内完成，⽽
不需要像C语⾔的原⽣字符串那样遍历整个字符串。
• ⼆进制安全：SDS可以存储任意⼆进制数据，包括空字符\0。C语⾔的原⽣字符串以空字符作为结束标志，这限制了它们不能包含空字符。⽽SDS则通过len字段
来明确字符串的⻓度，因此不受此限制。
• 兼容C语⾔字符串函数：尽管SDS提供了⾃⼰的⼀套 API 来进⾏字符串操作，但它的buf字段实际上就是⼀个普通的C字符串（以\0结尾），这意味着在必要时，
可以直接使⽤标准的C语⾔字符串处理函数来操作buf字段（尽管通常不推荐这样做，因为可能会破坏SDS结构的完整性）。
2.列表的底层实现：双向链表与压列表
压缩列表：当列表的元素数量较少且元素较⼩时，Redis会使⽤压缩列表（ziplist）作为底层实现来节省内存。压缩列表是⼀个紧凑的、连续的内存块，
它按顺序存储了列表中的元素。
• ZLBYTE： 压缩列表的头部信息，包含了特殊编码和压缩列表的⻓度信息。
• LEN： 每个元素前的⻓度字段，⽤于记录该元素的⻓度或前⼀个元素到当前元素的偏移量。
• 'one', 'two'： 实际的列表元素，它们被连续地存储在压缩列表中。
优势
内存利⽤率⾼，因为元素是连续存储的，没有额外的指针开销。
对于⼩列表，操作速度可以很快，因为所有数据都在⼀个连续的内存块中。
双向链表
当列表的元素数量较多或者元素较⼤时，Redis会选择使⽤双向链表作为底层实现。双向链表中的每个节点都保存了前⼀个节点和后⼀个节点的指针，这使得在列表的任何
位置插⼊或删除元素都变得相对容易。
优势
可以在O(1)时间复杂度内完成在列表头部或尾部的元素插⼊和删除。
当需要遍历列表时，可以从头部或尾部开始，沿着节点的指针依次访问。
3.hash的底层实现：Redis****中的字典与压缩列表
Redis的哈希（Hashes）类型允许⽤户在单个键中存储多个字段和对应的值。为了⾼效地⽀持这种数据结构，Redis在底层使⽤了两种主要的数据结构来实现哈希：字典 （也称为哈希表）和压缩列表。
压缩列表
当哈希中的字段和值较少且较⼩时，Redis会使⽤压缩列表作为底层实现来节省内存。
内存利⽤率⾼，因为字段和值是连续存储的，没有额外的指针和元数据开销。
• 对于⼩哈希，操作速度可以很快，因为所有数据都在⼀个连续的内存块中。
字典（ HASH 表）
当哈希中的字段和值较多或者较⼤时，Redis会选择使⽤字典作为底层实现。字典是⼀种通过键（在Redis哈希中是字段）来直接访问值的数据结构，它能够在平均情况下提供O(1)时间复杂
度的查找、插⼊和删除操作。
优势
提供了快速的字段查找、插⼊和删除操作。
哈希表的扩容机制可以保持较低的哈希冲突率，从⽽保证操作的效率。
4. 集合的底层实现：整数集合和字典
Redis的集合（Sets）是⼀个⽆序的、元素不重复的集合。为了⾼效地⽀持这种数据结构及其操作，Redis在底层使⽤了两种主要的数据结构：整数集合（intset）和字典 （hashtable）。
优势
• 内存利⽤率⾼：整数集合将整数紧密地存储在⼀个连续的内存块中，没有额外的指针或元数据开销。
• 操作速度快：对于整数集合中的元素，Redis可以直接通过数组索引访问，这使得查找、添加和删除整数的操作⾮常快速。
• 然⽽，整数集合也有其局限性。由于它要求集合中的元素必须是整数，并且元素数量较少，因此在处理⾮整数元素或⼤量元素时，整数集合可能不是最优的选择。
有序集合的底层实现：跳表和压缩列表
Redis的有序集合（Sorted Sets）是⼀个有序的、元素不重复的集合，其中每个元素都关联了⼀个分数（score）。为了实现这种数据结构及其相关操作的⾼效性，Redis在底层主
要使⽤了两种数据结构：压缩列表（ziplist）和跳表（skiplist）。
跳表（skiplist）
当有序集合的元素数量较多或元素的⼤⼩较⼤时，Redis会使⽤跳表作为底层实现。跳表是⼀种多层的有序链表，它通过维护多个层次的指针来加快查找、插⼊和删除操作的速度。
查找效率⾼：通过维护多个层次的指针，跳表可以在平均情况下提供O(log N)时间复杂度的查找操作，其中N是元素的数量。
• 插⼊和删除操作快速：跳表的插⼊和删除操作只需要局部地调整指针，⽽不需要移动⼤量的数据。
• ⽀持范围查询：跳表可以⽅便地⽀持按照分数范围查询元素的操作