Redis 核心原理深度解析：从架构到实现

前言

Redis 作为高性能内存数据库的标杆，其设计原理蕴含着对性能、可靠性和扩展性的深度优化。理解 Redis 的核心原理，不仅能帮助开发者合理使用其功能，更能在性能调优、故障排查和架构设计中占据主动。本文将从数据结构、单线程模型、持久化、网络架构、内存管理等核心模块展开，结合底层实现与代码示例，揭示 Redis 高效运行的本质。

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一、数据结构：高效存储的基石

Redis 的高性能首先得益于其针对不同场景设计的底层数据结构，每种数据类型（如 String、List、Set 等）都对应一种或多种高效的数据结构实现。

1. String：简单动态字符串（SDS）

• 结构设计：
  SDS 通过len（当前长度）、free（剩余空间）和buf[]（数据缓冲区）三个字段实现动态扩容，避免了 C 语言原生字符串的频繁内存重分配问题。

  struct sdshdr {
       
      int len;          // 已使用长度
      int free;         // 未使用长度
      char buf[];       // 数据缓冲区
  };
  

• 核心优势：
  • 预分配空间：新增数据时若剩余空间不足，按len的大小动态扩展，减少realloc次数。
  • 二进制安全：buf[]按字节存储，支持任意二进制数据（如图像、压缩文件）。

2. List：双向链表与压缩列表

• 双向链表（linkedlist）：
  适用于元素数量较多或元素值较大的场景，支持 O (1) 时间复杂度的两端插入 / 删除操作。

  struct listNode {
       
      struct listNode *prev;  // 前驱节点
      struct listNode *next;  // 后继节点
      void *value;            // 节点值
  };
  

• 压缩列表（ziplist）：
  内存中连续存储的紧凑型结构，用于存储少量、短长度的元素，节省内存开销。

  // 压缩列表布局
  [zlbytes][zltail][zllen][entry1][entry2].