【Redis】底层原理解析（SDS / 跳表 / IO多路复用 / 单线程模型）

Redis 底层原理全解析（SDS / 跳表 / IO多路复用 / 单线程模型）

📌 本篇目标：

• 从“会用 Redis” → “理解 Redis 为什么这么设计”
• 掌握面试中的“底层原理问题”
• 建立源码级思维

一、Redis 为什么快？

在前面我们说过 Redis 快，但这一篇我们从底层重新理解：

✅ 本质原因（升级版）

Redis 快 = 数据结构优化 + IO模型优化 + 架构设计优化

拆解为 4 大核心

1. 高效数据结构（SDS / 跳表） 2. 内存操作（无磁盘IO） 3. IO多路复用（高并发） 4. 单线程模型（无锁）

二、Redis 字符串底层：SDS

问题：为什么不用 C 原生字符串？

C 字符串：

charstr[]="hello";

问题：

• ❌ 需要遍历才能知道长度（O(n)）
• ❌ 容易缓冲区溢出
• ❌ 不支持动态扩展

✅ Redis 解决方案：SDS（Simple Dynamic String）

SDS 结构（核心）

struct sdshdr { int len; // 已使用长度 int free; // 剩余空间 char buf[]; // 数据 }

优势

1️⃣ 获取长度 O(1)

直接读取 len

2️⃣ 防止缓冲区溢出

自动扩容

3️⃣ 空间预分配

如果扩容 → 多分配一部分空间

好处：

减少频繁内存分配

4️⃣ 惰性释放

删除后不立即回收空间

面试回答模板

Redis 使用 SDS 替代 C 字符串， 优势： 1. O(1) 获取长度 2. 防止缓冲区溢出 3. 空间预分配 + 惰性释放

三、Redis 有序集合底层：跳表（SkipList）

为什么不用红黑树？

Redis 选择跳表的原因：

实现简单 + 性能接近平衡树

跳表结构理解

Level 3: 1 ----------- 9 Level 2: 1 ------ 5 -- 9 Level 1: 1 -- 3 -- 5 -- 7 -- 9

数据结构组成

每个节点包含：

• Key：存储的数据值（或分数）。
• Forward Pointers：一个数组，指向该节点在每一层的下一个节点。
• Level：该节点拥有的层数（高度）。

类似“多层索引”

查找过程

从最高层 `max_level`开始： 1. 在当前层向右遍历，直到下一个节点的值大于等于目标值。 2. 如果当前节点值等于目标值，返回成功。 3. 否则，**下降一层**，重复步骤 1。 4. 如果下降到第 0 层仍未找到，返回失败。

时间复杂度

查询 / 插入 / 删除：O(log n)

Redis 中的应用

ZSet（有序集合）

面试回答模板

ZSet 使用跳表 + hash 表实现： - 跳表 → 排序 - hash → 快速查找

四、Redis List 底层：QuickList

为什么不用普通链表？

问题：

• ❌ 内存碎片多
• ❌ 访问慢

✅ QuickList（链表 + 压缩列表）

LinkedList + ZipList

结构

[ziplist] <-> [ziplist] <-> [ziplist]

优势

• 节省内存
• 保持链表灵活性

五、Redis IO 模型：IO 多路复用

问题：Redis 如何处理高并发？

👉 单线程怎么处理上万连接？

✅ 答案：IO 多路复用

类比理解

一个服务员同时负责多张桌子

常见实现

• select(轮询通知)
• poll(改进的轮询通知)
• epoll（Linux 事件回调）

工作流程

1. 监听多个 socket 2. 哪个有数据 → 处理哪个

优势

• 不需要多线程
• 高效处理大量连接

面试回答模板

Redis 使用 IO 多路复用（epoll）， 可以在单线程下高效处理大量连接请求

六、Redis 单线程模型

Redis 真的是单线程吗？

👉 面试陷阱题！

✅ 正确答案：

核心命令执行是单线程

但：

• 网络 IO → 多路复用
• 持久化 → 子线程

为什么用单线程？

1️⃣ 避免锁竞争

多线程 → 加锁 → 性能下降

2️⃣ 减少上下文切换

3️⃣ 内存操作本身就很快

❗ 面试加分点

Redis 性能瓶颈 ≠ CPU 而是：内存 + 网络

七、Redis 内存淘汰策略

问题：内存满了怎么办？

✅ 8 种策略（重点记 3 个）

推荐

allkeys-lru（最常用）

八、Redis 过期删除策略

Redis 如何删除过期 key？

✅ 三种方式

1️⃣ 定时删除 ❌（不用）

2️⃣ 惰性删除

用到才检查

3️⃣ 定期删除

随机抽查

面试总结

Redis 使用：惰性删除 + 定期删除

九、Redis 线程模型演进

Redis 6 之后变化

引入：

多线程处理 IO

但：

命令执行仍然是单线程

十、终极面试总结

Redis 为什么这么快？

1. 内存操作 2. 高效数据结构（SDS / 跳表） 3. IO 多路复用 4. 单线程避免锁竞争

Redis 底层核心结构

String → SDS List → QuickList ZSet → 跳表

Redis 线程模型

核心单线程 + IO多路复用 + 后台线程