一文搞懂Redis鍵值對存儲數(shù)據(jù)庫

作者：李逸皓 2023-11-29 16:16:14

Redis（Remote Dictionary Server，遠(yuǎn)程字典服務(wù)器）是一個開源的、高性能的鍵值對（key-value）存儲系統(tǒng)，是跨平臺的非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。

簡介

2008年，一款基于MySQL的網(wǎng)站實(shí)時統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)——LLOOGG被正式推出。不久之后，Merzia公司由于不滿于這個系統(tǒng)的現(xiàn)有性能，于2009年為LLOOGG設(shè)計(jì)了一個全新的數(shù)據(jù)庫——Redis（第一個版本）。為了使Redis能夠應(yīng)用到更多地方，其創(chuàng)始人在社區(qū)開源代碼，并與Redis另一名主要的代碼貢獻(xiàn)者共同開發(fā)著Redis。

2010年，VMware公司贊助Redis的開發(fā)，開發(fā)人員開始全職開發(fā)Redis。從2013年5月起，Pivotal成為Redis的主要贊助商。

根據(jù)Redis官網(wǎng)的最新介紹，Redis是一個開源（持有BSD許可）的、基于內(nèi)存處理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲，用作數(shù)據(jù)庫存儲、緩存處理、消息代理和流引擎（Streaming Engine）。Redis的功能十分強(qiáng)大，在短短幾年的時間里，不僅獲得了龐大的用戶群體，還得到了大量程序員和IT公司的支持和推廣。

DB-Engines網(wǎng)站根據(jù)鍵值對存儲數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的受歡迎程度對它們進(jìn)行排名，該排名結(jié)果每月更新一次。DB-Engines網(wǎng)站的鍵值對數(shù)據(jù)庫排名如下。

根據(jù)Stack Overflow年度開發(fā)人員的調(diào)查結(jié)果顯示，Redis連續(xù)4年獲得最受歡迎的鍵值對存儲數(shù)據(jù)庫的稱號。Redis是基于ANSI C語言編寫的，并且為開發(fā)者提供了多種語言的API，如C#、C++、GO、Java、PHP、Ruby、JavaScript、Perl、Python等。伴隨著Redis的用戶越來越多，大部分的互聯(lián)網(wǎng)公司都開始使用Redis作為公共緩存。

特點(diǎn)

Redis作為熱門的NoSQL數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)之一，提供了多種鍵值數(shù)據(jù)類型以適應(yīng)不同場景下的存儲需求。Redis主要有以下6個特點(diǎn)。

1. 豐富的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

Redis通常被稱為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)服務(wù)器，因?yàn)樗粌H支持多種類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如字符串（strings）、散列（hashes）、列表（lists）、集合（sets）、有序集合等，而且還可以通過Redis哨兵（Sentinel）和自動分區(qū)（Cluster）實(shí)現(xiàn)高可用性。

2. 內(nèi)存存儲與持久化

Redis數(shù)據(jù)庫的所有數(shù)據(jù)都被加載到內(nèi)存中進(jìn)行操作或處理，由于內(nèi)存的讀寫速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于硬盤，因此Redis的數(shù)據(jù)讀寫速度及性能也比其他數(shù)據(jù)庫更加優(yōu)秀，它每秒可以讀寫超過10萬個鍵值。

Redis的數(shù)據(jù)存儲在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中，為了能夠持久地使用Redis數(shù)據(jù)，防止系統(tǒng)故障造成數(shù)據(jù)丟失，可以將Redis中的數(shù)據(jù)異步寫入磁盤空間中，這個過程就叫做Redis持久化。Redis提供了兩種不同的持久化方法，一種是快照（RDB，Redis DataBase），另一種是追加文件（AOF，Append Only File）。

3. 支持事務(wù)

Redis的事務(wù)操作可以保證數(shù)據(jù)操作的原子性，即一個事務(wù)中的所有命令要么全部執(zhí)行，要么全部不執(zhí)行。如果其中任何一個命令執(zhí)行失敗，整個事務(wù)將被回滾到之前的狀態(tài)。這種原子性保證了Redis的數(shù)據(jù)操作具有可靠性和一致性。

4. 支持主從復(fù)制

Redis支持主從復(fù)制構(gòu)建集群，支持?jǐn)?shù)據(jù)的備份。為了分擔(dān)讀取數(shù)據(jù)的壓力，Redis不僅支持主從同步，而且也支持一主多從以及多級從結(jié)構(gòu)，其中主節(jié)點(diǎn)提供寫操作，從節(jié)點(diǎn)僅提供讀操作。對于“讀多寫少”的狀況，可為主節(jié)點(diǎn)配置多個從節(jié)點(diǎn)，從而提高響應(yīng)效率。

(1) Redis主從同步實(shí)現(xiàn)過程

Redis主從數(shù)據(jù)的同步是異步進(jìn)行的，主從同步存在一個狀態(tài)差，但不會影響主邏輯，也不會降低Redis的處理性能。

如圖2-2所示，Redis實(shí)現(xiàn)主從同步的過程大致可以分為以下6步。

① 從節(jié)點(diǎn)執(zhí)行slaveof命令；

② 從節(jié)點(diǎn)保存slaveof命令中主節(jié)點(diǎn)的信息，不做其他操作；

③ 從節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的定時任務(wù)發(fā)現(xiàn)有主節(jié)點(diǎn)的信息，開始使用socket連接主節(jié)點(diǎn)；

④ 連接成功后，從節(jié)點(diǎn)向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送ping命令，請求連接；

⑤ 如果主節(jié)點(diǎn)設(shè)置了權(quán)限，從節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)行權(quán)限驗(yàn)證；如果驗(yàn)證失敗，復(fù)制終止；權(quán)限驗(yàn)證通過后，主從節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，主節(jié)點(diǎn)將全部數(shù)據(jù)全部發(fā)送至從節(jié)點(diǎn)，做一次完整備份；

⑥ 主從節(jié)點(diǎn)完成備份后，主節(jié)點(diǎn)將持續(xù)發(fā)送給從節(jié)點(diǎn)新的數(shù)據(jù)變動命令，從節(jié)點(diǎn)實(shí)時同步，保證主從數(shù)據(jù)一致性。

(1) Redis數(shù)據(jù)同步的過程

Redis 2.8版本之后，從服務(wù)器對主服務(wù)器的同步操作需要使用psync命令來實(shí)現(xiàn)，主從服務(wù)器在執(zhí)行psync命令期間的通信過程如下。

參數(shù)說明：

1) runId：每個Redis節(jié)點(diǎn)啟動都會生成唯一的uuid，每次Redis重啟后，runId都會發(fā)生變化。

2) offset：主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)各自維護(hù)自己的主從復(fù)制偏移量offset，當(dāng)主節(jié)點(diǎn)有寫入命令時，offset=offset+命令的字節(jié)長度。從節(jié)點(diǎn)在收到主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的命令后，也會增加自己的offset，并把自己的offset發(fā)送給主節(jié)點(diǎn)。這樣，主節(jié)點(diǎn)同時保存自己的offset和從節(jié)點(diǎn)的offset，并通過對比offset來判斷主從節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)是否一致。

發(fā)送psync命令的目的是讓從服務(wù)器與主服務(wù)器進(jìn)行同步，以確保從服務(wù)器的數(shù)據(jù)與主服務(wù)器的數(shù)據(jù)保持一致。當(dāng)從服務(wù)器發(fā)送psync命令后，主服務(wù)器可能會有以下3種響應(yīng)情況。

1) FULLRESYNC：第一次連接，進(jìn)行全量復(fù)制

2) CONTINUE：進(jìn)行部分復(fù)制

3) ERR：不支持psync命令，進(jìn)行全量復(fù)制

5. 功能豐富

Redis不僅是優(yōu)秀的存儲數(shù)據(jù)庫，還擔(dān)任著其他角色，比如緩存系統(tǒng)、隊(duì)列系統(tǒng)等。

作為緩存系統(tǒng)，Redis為每個鍵設(shè)置生存時間（Time To Live，TTL），生存時間到期后鍵會自動被刪除，還可以限定數(shù)據(jù)占用的最大內(nèi)存空間，在數(shù)據(jù)達(dá)到空間限制后按照一定的規(guī)則自動淘汰不需要的鍵。借助Redis出色的性能、豐富的數(shù)據(jù)類型及其特有的持久化，用戶可將Redis應(yīng)用到更加寬廣、豐富的業(yè)務(wù)中去。

Redis是一個高性能的優(yōu)先級隊(duì)列，它借助列表類型鍵實(shí)現(xiàn)隊(duì)列，支持阻塞時的讀取操作。除此之外，Redis還支持“發(fā)布/訂閱”的消息模式，可幫助用戶構(gòu)建聊天室系統(tǒng)

6. 簡單穩(wěn)定

Redis使用起來十分便捷，它提供了幾十種編程語言的客戶端庫。用戶可以使用命令操作Redis數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)讀寫數(shù)據(jù)，便于在程序中與Redis的交互。命令語句與Redis的關(guān)系相當(dāng)于SQL語句與MySQL的關(guān)系。

Redis的開發(fā)代碼量僅3萬多行，并且開源，便于用戶通過修改Redis源代碼來適應(yīng)自己的項(xiàng)目需求。同時，對于希望充分發(fā)揮數(shù)據(jù)庫性能的開發(fā)者而言，Redis也具有很大的吸引力。到目前為止，已有近百名開發(fā)者為Redis貢獻(xiàn)了代碼。在良好的開發(fā)氛圍和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)陌姹景l(fā)布機(jī)制下，Redis穩(wěn)定版本的性能更具可靠性。

應(yīng)用場景

Redis 數(shù)據(jù)庫主要被大型企業(yè)、初創(chuàng)公司和政府組織用于以下場景：緩存、構(gòu)建隊(duì)列系統(tǒng)、實(shí)時欺詐檢測、全球用戶會話管理、實(shí)時庫存管理、AI/ML功能存儲以及索賠處理。

Redis數(shù)據(jù)庫在內(nèi)存中讀寫數(shù)據(jù)的容量受到物理內(nèi)存的限制，不適用海量數(shù)據(jù)的高性能讀寫，再加上它缺少原生的可擴(kuò)展機(jī)制，不具備可擴(kuò)展能力，需要通過客戶端來實(shí)現(xiàn)分布式讀寫，因此Redis適合的場景主要局限在較小數(shù)據(jù)量的高性能操作和運(yùn)算上。目前，國內(nèi)的互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)，如新浪微博和知乎，以及國外互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的產(chǎn)品，如GitHub、Stack Overflow、Flickr和Instagram，這些都是Redis的用戶。

常見用例包括以下6種。

1. 存儲數(shù)據(jù)庫

使用云數(shù)據(jù)庫Redis時，Redis作為持久化數(shù)據(jù)庫，主程序部署在ECS上，所有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存儲在Redis中。云數(shù)據(jù)庫Redis版支持持久化功能，主備雙機(jī)冗余數(shù)據(jù)存儲，保證了服務(wù)的高可用性。適用場景為游戲網(wǎng)站及應(yīng)用。

2. 緩存

Redis最常見的應(yīng)用場景是作為緩存系統(tǒng)。它使用String類型來將序列化后的對象存儲到內(nèi)存中。

Redis是單線程模型，而Memcached則支持多線程。應(yīng)用在多核服務(wù)器上時，Redis的性能比Memcached要遜色一些。Redis的性能優(yōu)異，通常情況下其性能不會成為服務(wù)的瓶頸。Redis將會很好地代替Memcached，成為熱點(diǎn)數(shù)據(jù)緩存的首選工具。

3. 消息隊(duì)列

Redis支持保存List鏈表和Set集合的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，且支持對List進(jìn)行各種操作。基于List來做FIFO雙向鏈表可實(shí)現(xiàn)一個輕量級的高性能消息隊(duì)列服務(wù)。常見的應(yīng)用場景有12306網(wǎng)站的排隊(duì)購票業(yè)務(wù)和候補(bǔ)業(yè)務(wù)，電商網(wǎng)站的秒殺、搶購等業(yè)務(wù)。

4. 排行榜

Redis使用有序集合和一個計(jì)算熱度的算法，可以輕松地得到一個熱度排行榜。常見的應(yīng)用場景有新聞頭條、微博熱搜榜、熱歌榜、游戲排行榜等。

5. 位操作

當(dāng)需要處理上億數(shù)據(jù)量的情況時，可以考慮使用位操作。例如處理幾億用戶的簽到、去重登錄的統(tǒng)計(jì)、查詢用戶的在線狀態(tài)等場景。如果為每個用戶建立一個key，那么對于擁有十億用戶的騰訊來說，所需要的內(nèi)存大小將難以想象。使用Redis的位操作命令，如setbit、getbit和bitcount，可以解決上述問題。可以在Redis內(nèi)部構(gòu)建一個足夠長的數(shù)組，每個數(shù)組的值為0或1。數(shù)組的下標(biāo)（index）使用數(shù)字表示用戶ID。這樣，可以使用下標(biāo)和元素值來記錄并存儲數(shù)億條記錄。

6. 計(jì)數(shù)器

Redis高效率讀寫的特點(diǎn)可以充分發(fā)揮其計(jì)數(shù)功能。Redis的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，String、hash等支持原子性的遞增操作，適用諸如統(tǒng)計(jì)點(diǎn)擊數(shù)應(yīng)用。因?yàn)镽edis是單線程，所以能夠避免并發(fā)問題，保證不會出錯，而且其100%毫秒級的性能，非常適用于高并發(fā)的秒殺活動、分布式序列號的生成、網(wǎng)站訪問統(tǒng)計(jì)等場景。

支持的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

Redis以鍵值對的形式存儲數(shù)據(jù)，而value則支持多種數(shù)據(jù)類型，常見的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有String（字符串）、List（列表）、Set（集合）、Hash（散列）和Sorted Sets（有序結(jié)合）。本節(jié)將詳細(xì)講解這5種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

1．String（字符串）

String類型是Redis最基本的數(shù)據(jù)類型，一個key對應(yīng)一個value，String類型的value最大能存儲512MB。String的值是二進(jìn)制類型的，具有較高的安全性，其值的數(shù)據(jù)類型可以為文本、圖片、視頻或者序列化的對象。

String數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)多用于實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能，例如掘金文章的點(diǎn)擊數(shù)量、閱讀數(shù)量、視頻觀看量、分布式鎖，也常用于集群環(huán)境下的session共享。

2．List（列表）

Redis列表是簡單的字符串列表，按照插入順序排序，最多可存儲232-1個元素。對列表進(jìn)行讀寫操作時，只能添加或讀取一個元素到列表的頭部（左邊）或者尾部（右邊）。

GoodID為列表的鍵名，2022001、2022002、2022003和2022003都是列表中的鍵值。這些值均按照插入順序排列，分別為列表的第1個字符串元素、第2個字符串元素、第3個字符串元素、第4個字符串元素。另外，List允許出現(xiàn)重復(fù)的值，如該List中的第3個元素和第4個字符串元素都為2022003。

List數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可用于獲取最新的評論列表、最近N天的活躍用戶數(shù)、新聞推薦等。

3．Set（集合）

Set是字符串元素的無序集合。其中，字符串元素是不重復(fù)且無序的，集合最多可存儲232-1個元素。

Set類型與hash類型的存儲結(jié)構(gòu)相同，僅存儲鍵，不存儲值(nil)。這是因?yàn)镾et的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)是一個value永遠(yuǎn)為null的HashMap。HashMap通過計(jì)算hash的方式來實(shí)現(xiàn)快速排重，這也是set能提供判斷一個成員是否在集合內(nèi)的原因。Set的value和List的value類似，都是一個字符串列表，區(qū)別在于Set是無序的，且Set中的元素是唯一的。

利用Redis提供的Set數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以存儲大量的數(shù)據(jù)，并且高效的內(nèi)部存儲機(jī)制使其在查詢方面具有更高的工作效率。

Set可用于存儲一些集合性的數(shù)據(jù)，比如微博應(yīng)用中，把一個用戶關(guān)注的人放在一個集合中，用戶的粉絲放到一個集合中，通過集合的交集、并集、差集等操作，實(shí)現(xiàn)共同關(guān)注，互相關(guān)注、可能認(rèn)識的人等功能。除此之外，Set集合常用于限時抽獎活動、共同好友、商品篩選等場景。