Redis是什麼？看這一篇就夠了

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引言

在Web應用發展的初期，那時關係型資料庫受到了較為廣泛的關註和應用，原因是因為那時候Web站點基本上訪問和併發不高、交互也較少。而在後來，隨著訪問量的提升，使用關係型資料庫的Web站點多多少少都開始在性能上出現了一些瓶頸，而瓶頸的源頭一般是在磁碟的I/O上。而隨著互聯網技術的進一步發展，各種類型的應用層出不窮，這導致在當今雲計算、大數據盛行的時代，對性能有了更多的需求，主要體現在以下四個方面：

1. 低延遲的讀寫速度：應用快速地反應能極大地提升用戶的滿意度
2. 支撐海量的數據和流量：對於搜索這樣大型應用而言，需要利用PB級別的數據和能應對百萬級的流量
3. 大規模集群的管理：系統管理員希望分散式應用能更簡單的部署和管理
4. 龐大運營成本的考量：IT部門希望在硬體成本、軟體成本和人力成本能夠有大幅度地降低

為了剋服這一問題，NoSQL應運而生，它同時具備了高性能、可擴展性強、高可用等優點，受到廣泛開發人員和倉庫管理人員的青睞。

Redis是什麼

Redis是現在最受歡迎的NoSQL資料庫之一，Redis是一個使用ANSI C編寫的開源、包含多種數據結構、支持網路、基於記憶體、可選持久性的鍵值對存儲資料庫，其具備如下特性：

• 基於記憶體運行，性能高效
• 支持分散式，理論上可以無限擴展
• key-value存儲系統
• 開源的使用ANSI C語言編寫、遵守BSD協議、支持網路、可基於記憶體亦可持久化的日誌型、Key-Value資料庫，並提供多種語言的API

相比於其他資料庫類型，Redis具備的特點是：

• C/S通訊模型
• 單進程單線程模型
• 豐富的數據類型
• 操作具有原子性
• 持久化
• 高併發讀寫
• 支持lua腳本

哪些大廠在使用Redis？

• github
• twitter
• 微博
• Stack Overflow
• 阿裡巴巴
• 百度
• 美團
• 搜狐

Redis的應用場景有哪些？

Redis 的應用場景包括：緩存系統（“熱點”數據：高頻讀、低頻寫）、計數器、消息隊列系統、排行榜、社交網路和實時系統。

Redis的數據類型及主要特性

Redis提供的數據類型主要分為5種自有類型和一種自定義類型，這5種自有類型包括：String類型、哈希類型、列表類型、集合類型和順序集合類型。

String類型：

它是一個二進位安全的字元串，意味著它不僅能夠存儲字元串、還能存儲圖片、視頻等多種類型, 最大長度支持512M。

對每種數據類型，Redis都提供了豐富的操作命令，如：

• GET/MGET
• SET/SETEX/MSET/MSETNX
• INCR/DECR
• GETSET
• DEL

哈希類型：

該類型是由field和關聯的value組成的map。其中，field和value都是字元串類型的。

Hash的操作命令如下：

• HGET/HMGET/HGETALL
• HSET/HMSET/HSETNX
• HEXISTS/HLEN
• HKEYS/HDEL
• HVALS

列表類型：

該類型是一個插入順序排序的字元串元素集合, 基於雙鏈表實現。

List的操作命令如下：

• LPUSH/LPUSHX/LPOP/RPUSH/RPUSHX/RPOP/LINSERT/LSET
• LINDEX/LRANGE
• LLEN/LTRIM

集合類型：

Set類型是一種無順序集合, 它和List類型最大的區別是：集合中的元素沒有順序, 且元素是唯一的。

Set類型的底層是通過哈希表實現的，其操作命令為：

• SADD/SPOP/SMOVE/SCARD
• SINTER/SDIFF/SDIFFSTORE/SUNION

Set類型主要應用於：在某些場景，如社交場景中，通過交集、並集和差集運算，通過Set類型可以非常方便地查找共同好友、共同關註和共同偏好等社交關係。

順序集合類型：

ZSet是一種有序集合類型，每個元素都會關聯一個double類型的分數權值，通過這個權值來為集合中的成員進行從小到大的排序。與Set類型一樣，其底層也是通過哈希表實現的。

ZSet命令：

• ZADD/ZPOP/ZMOVE/ZCARD/ZCOUNT
• ZINTER/ZDIFF/ZDIFFSTORE/ZUNION

Redis的數據結構

Redis的數據結構如下圖所示：

關於上表中的部分釋義：

1. 壓縮列表是列表鍵和哈希鍵的底層實現之一。當一個列表鍵只包含少量列表項，並且每個列表項要麼就是小整數，要麼就是長度比較短的字元串，Redis就會使用壓縮列表來做列表鍵的底層實現
2. 整數集合是集合鍵的底層實現之一，當一個集合只包含整數值元素，並且這個集合的元素數量不多時，Redis就會使用整數集合作為集合鍵的底層實現

如下是定義一個Struct數據結構的例子：

簡單動態字元串SDS (Simple Dynamic String)

基於C語言中傳統字元串的缺陷，Redis自己構建了一種名為簡單動態字元串的抽象類型，簡稱SDS，其結構如下：

SDS幾乎貫穿了Redis的所有數據結構，應用十分廣泛。

SDS的特點

和C字元串相比，SDS的特點如下：

　　1. 常數複雜度獲取字元串長度

　　　　Redis中利用SDS字元串的len屬性可以直接獲取到所保存的字元串的長
　　　　度，直接將獲取字元串長度所需的複雜度從C字元串的O(N)降低到了O(1)。

　　2. 減少修改字元串時導致的記憶體重新分配次數

　　　　通過C字元串的特性，我們知道對於一個包含了N個字元的C字元串來說，其底層實現總是N+1個字元長的數組（額外一個空字元結尾）

　　　　那麼如果這個時候需要對字元串進行修改，程式就需要提前對這個C字元串數組進行一次記憶體重分配（可能是擴展或者釋放）　

　　　　而記憶體重分配就意味著是一個耗時的操作。

Redis巧妙的使用了SDS避免了C字元串的缺陷。在SDS中，buf數組的長度不一定就是字元串的字元數量加一，buf數組裡面可以包含未使用的位元組，而這些未使用的位元組由free屬性記錄。

與此同時，SDS採用了空間預分配的策略，避免C字元串每一次修改時都需要進行記憶體重分配的耗時操作，將記憶體重分配從原來的每修改N次就分配N次——>降低到了修改N次最多分配N次。

如下是Redis對SDS的簡單定義：

Redis特性1：事務

• 命令序列化，按順序執行
• 原子性
• 三階段: 開始事務 - 命令入隊 - 執行事務
• 命令：MULTI/EXEC/DISCARD

Redis特性2：發佈訂閱(Pub/Sub)

• Pub/sub是一種消息通訊模式
• Pub發送消息, Sub接受消息
• Redis客戶端可以訂閱任意數量的頻道
• “fire and forgot”, 發送即遺忘
• 命令：Publish/Subscribe/Psubscribe/UnSub

Redis特性3：Stream

• Redis 5.0新增
• 等待消費
• 消費組(組內競爭)
• 消費歷史數據
• FIFO

以上就是Redis的基本概念，下麵我們將介紹在開發過程中可能會踩到的“坑”。

Redis常見問題解析：擊穿

概念：在Redis獲取某一key時, 由於key不存在, 而必須向DB發起一次請求的行為, 稱為“Redis擊穿”。

引發擊穿的原因：

• 第一次訪問
• 惡意訪問不存在的key
• Key過期

合理的規避方案：

• 伺服器啟動時, 提前寫入
• 規範key的命名, 通過中間件攔截
• 對某些高頻訪問的Key，設置合理的TTL或永不過期

Redis常見問題解析：雪崩

概念：Redis緩存層由於某種原因宕機後，所有的請求會涌向存儲層，短時間內的高併發請求可能會導致存儲層掛機，稱之為“Redis雪崩”。

合理的規避方案：

• 使用Redis集群
• 限流

Redis在產品開發中的應用實踐

為此，我很高興的為大家介紹，葡萄城架構師Jim將在2019-11-27 14：00 為大家帶來一場公開課，其中 Jim除了為大家講解Redis的基礎，同時也會實際演示他所在的項目組使用Redis時碰到的問題以及解決方案，對於剛接觸Redis的同學來說，更具參考意義和學習價值，歡迎大家屆時參加，公開課地址：https://live.vhall.com/661463644。

• 後端採用nodeJS
• 使用Azure的Redis服務
• Redis的使用場景

　　　　-  token緩存, 用於令牌驗證

　　　　-  IP白名單

碰到的問題

• “網路抖動”或者Redis服務異常導致Redis訪問超時
• Redis客戶端驅動穩定性問題

　　　　-  連接池 “Broken connection” 問題

　　　　-  JS的Promise引出的Redis重置問題

下麵我們來簡單瞭解一下Redis的進階知識。

進階之Redis協議簡介

Redis客戶端通訊協議：RESP(Redis Serialization Protocol)，其特點是：

• 簡單
• 解析速度快
• 可讀性好

Redis集群內部通訊協議：RECP(Redis Cluster Protocol ) ，其特點是：

• 每一個node兩個tcp 連接
• 一個負責client-server通訊(P: 6379)
• 一個負責node之間通訊(P: 10000 + 6379)

Redis協議支持的數據類型：

• 簡單字元(首位元組: “+”)

      　　“+OK\r\n”

• 錯誤(首位元組: “-”)

      　　“-error msg\r\n”

• 數字(首位元組: “:”)

      　　“:123\r\n”

• 批量字元(首位元組: “$”)

      　　“&hello\r\nWhoa re you\r\n”

• 數組(首位元組: “*”)

      　　“*0\r\n”

      　　“*-1\r\n”

除了Redis，還有什麼NoSQL型資料庫

市面上類似於Redis，同樣是NoSQL型的資料庫有很多，如下圖所示，除了Redis，還有MemCache、Cassadra和Mongo。下麵，我們就分別對這幾個資料庫做一下簡要的介紹：

Memcache：這是一個和Redis非常相似的資料庫，但是它的數據類型沒有Redis豐富。Memcache由LiveJournal的Brad Fitzpatrick開發，作為一套分散式的高速緩存系統，被許多網站使用以提升網站的訪問速度，對於一些大型的、需要頻繁訪問資料庫的網站訪問速度的提升效果十分顯著。

Apache Cassandra：（社區內一般簡稱為C*）這是一套開源分散式NoSQL資料庫系統。它最初由Facebook開發，用於儲存收件箱等簡單格式數據，集Google BigTable的數據模型與Amazon Dynamo的完全分散式架構於一身。Facebook於2008將 Cassandra 開源，由於其良好的可擴展性和性能，被 Apple、Comcast、Instagram、Spotify、eBay、Rackspace、Netflix等知名網站所採用，成為了一種流行的分散式結構化數據存儲方案。

MongoDB：是一個基於分散式文件存儲、面向文檔的NoSQL資料庫，由C++編寫，旨在為WEB應用提供可擴展的高性能數據存儲解決方案。MongoDB是一個介於關係資料庫和非關係資料庫之間的產品，是非關係資料庫當中功能最豐富，最像關係型資料庫的，它支持的數據結構非常鬆散，是一種類似json的BSON格式。

總結

以上就是Redis入門介紹教程，如果各位還想瞭解更多，歡迎通過評論和私信的方式告訴我。