一、核心架構(gòu)：事件驅(qū)動(dòng)與單線程模型

Redis 采用 單線程事件驅(qū)動(dòng)架構(gòu)，通過 epoll/kqueue 實(shí)現(xiàn) I/O 多路復(fù)用。其核心事件循環(huán)（aeEventLoop）持續(xù)監(jiān)聽兩類事件：

1. 文件事件：Socket 可讀/可寫狀態(tài)（客戶端請求/響應(yīng)）
2. 時(shí)間事件：定時(shí)任務(wù)（如過期鍵清理、持久化觸發(fā)）

工作流程：主線程通過 epoll_wait() 等系統(tǒng)調(diào)用獲取就緒事件 → 調(diào)用對應(yīng)處理器（如 readQueryFromClient 解析命令）→ 執(zhí)行命令 → 返回結(jié)果。這種設(shè)計(jì)避免了多線程鎖競爭，但需確保單線程操作高效。

二、內(nèi)存數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與動(dòng)態(tài)編碼

Redis 通過 redisObject 結(jié)構(gòu)統(tǒng)一管理數(shù)據(jù)，其字段包括：

• type：數(shù)據(jù)類型（String/List 等）
• encoding：內(nèi)部編碼（如 ziplist/hashtable）
• lru：LRU 時(shí)間戳（內(nèi)存淘汰用）
• refcount：引用計(jì)數(shù)（內(nèi)存回收依據(jù)）
• ptr：指向?qū)嶋H數(shù)據(jù)的指針

動(dòng)態(tài)編碼優(yōu)化策略：

編碼轉(zhuǎn)換：當(dāng)數(shù)據(jù)量超過閾值（如 ziplist 大小 > hash-max-ziplist-entries）時(shí)自動(dòng)切換編碼。

三、內(nèi)存管理與碎片整理

1. 內(nèi)存分配器

默認(rèn)使用 jemalloc，其優(yōu)勢：

• 按內(nèi)存大小分級(jí)（small/large/huge）分配
• 減少外部碎片，碎片率通常 ≈1.03
• 支持后臺(tái)線程異步釋放內(nèi)存（Lazy Free）

2. 內(nèi)存淘汰策略

當(dāng)達(dá)到 maxmemory 限制時(shí)觸發(fā)：

• LRU/LFU 近似算法：隨機(jī)采樣 5 個(gè)鍵（maxmemory-samples配置），淘汰最符合策略的鍵
• LFU 實(shí)現(xiàn)：用概率計(jì)數(shù)器記錄訪問頻率，并隨時(shí)間衰減

3. 主動(dòng)碎片整理（Active Defrag）

• 觸發(fā)：碎片率 > active-defrag-threshold-lower（默認(rèn) 10%）
• 過程：掃描內(nèi)存 → 復(fù)制碎片化對象到新位置 → 釋放原內(nèi)存
• 限制：需配合 jemalloc，每周期 CPU 占用 ≤ active-defrag-cycle-max（默認(rèn) 25%）

四、持久化機(jī)制：RDB 與 AOF

1. RDB（快照持久化）

• 流程：fork() 子進(jìn)程 → 子進(jìn)程遍歷內(nèi)存生成 RDB 文件 → 替換舊文件
• COW 優(yōu)化：父進(jìn)程繼續(xù)處理請求，僅當(dāng)內(nèi)存頁被修改時(shí)復(fù)制
• 觸發(fā)：save（阻塞）、bgsave（后臺(tái)）、配置自動(dòng)觸發(fā)（如 save 900 1）

2. AOF（日志持久化）

• 流程：所有寫命令追加到 AOF 緩沖區(qū) → 根據(jù)策略（always/everysec/no）同步至磁盤
• 重寫：fork() 子進(jìn)程生成精簡版 AOF（只保留當(dāng)前數(shù)據(jù)狀態(tài)）
• 混合持久化（Redis 4.0+）：AOF 重寫時(shí)嵌入 RDB 格式頭，加速恢復(fù)

性能對比：

五、復(fù)制與集群架構(gòu)

1. 主從復(fù)制流程

• 復(fù)制積壓緩沖區(qū)：主節(jié)點(diǎn)維護(hù)環(huán)形緩沖區(qū)（默認(rèn) 1MB），保存近期寫命令
• 無磁盤復(fù)制：RDB 數(shù)據(jù)直接流式傳輸?shù)綇墓?jié)點(diǎn)，跳過磁盤 I/O（repl-diskless-sync yes）

2. 集群（Cluster）原理

• 分片機(jī)制：16384 個(gè)哈希槽均勻分布到節(jié)點(diǎn)
• Gossip 協(xié)議：節(jié)點(diǎn)間定期交換狀態(tài)（PING/PONG/MEET/FAIL 消息）
• 故障轉(zhuǎn)移：當(dāng)主節(jié)點(diǎn)下線，從節(jié)點(diǎn)發(fā)起投票選舉新主節(jié)點(diǎn)

六、高級(jí)特性實(shí)現(xiàn)

1. Lua 腳本引擎

• 原子性：單線程執(zhí)行腳本期間阻塞其他命令
• 執(zhí)行環(huán)境：偽客戶端模式調(diào)用 Redis 命令
• 復(fù)制：主節(jié)點(diǎn)傳播 EVALSHA + 腳本 SHA1，從節(jié)點(diǎn)通過 repl_scriptcache_dict 緩存

2. I/O 多線程（Redis 6.0+）

• 線程分工：I/O 線程負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)讀寫，主線程執(zhí)行命令
• 配置：io-threads 4 啟用線程，io-threads-do-reads yes 啟用讀線程化
• 效果：吞吐量提升 2 倍，但命令仍串行執(zhí)行保證正確性

3. 模塊系統(tǒng)

• 加載：MODULE LOAD /path/to/module.so
• API：RedisModule_CreateCommand 注冊新命令
• 交互：通過模塊 API 訪問核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（如 RedisModule_StringSet）

總結(jié)

Redis 的底層運(yùn)行機(jī)制是一個(gè)精心設(shè)計(jì)的系統(tǒng)工程：

• 以內(nèi)存為核心，提供了極快的訪問速度。
• 精巧的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在速度與內(nèi)存之間取得了最佳平衡。
• 單線程 Reactor 模型，避免了并發(fā)復(fù)雜性，配合 I/O 多路復(fù)用輕松應(yīng)對高并發(fā)。
• 靈活可配的持久化方案（RDB, AOF, 混合），滿足了不同場景下的數(shù)據(jù)安全需求。
• 漸進(jìn)式的優(yōu)化策略（漸進(jìn)式 rehash、惰性刪除、后臺(tái)線程化），保證了服務(wù)的平滑運(yùn)行。

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