Redis详解

---

 

Redis 简介

Redis（Remote Dictionary Server）是一个开源的高性能键值对存储数据库，最初由 Salvatore Sanfilippo 开发，它在内存中存储数据，并提供了持久化功能，可以将数据保存到磁盘中，是一种NoSQL(not-only sql,非关系型数据库)的数据库。

它的数据结构十分丰富，基础数据类型包括：string（字符串）、list（列表，双向链表）、hash（散列，键值对集合）、set（集合，不重复）和 sorted set（有序集合），这使得它不仅仅是一个简单的键值存储，还可以用于存储和处理复杂的数据。

数据类型和底层结构的对应关系

string	list	hash	set	sorted set
简单动态字符串	双向链表、压缩链表	压缩链表、哈希表	压缩链表、整数数组	压缩链表、跳表

底层实现的时间复杂度

跳表	双向链表	压缩链表	哈希表	整数数组
O(logN)	O(N)	O(N)	O(1)	O(N)

可以看出除了 string 类型的底层实现只有一种数据结构，其他四种均有两种底层实现，这四种类型为集合类型，其中一个键对应了一个集合的数据。

Redis 特点/优势

Redis 具备许多特点和优势，所以在大规模应用和高并发场景中得到广泛应用。

• 丰富的数据结构：Redis 支持多种数据结构，包括字符串（String）、哈希（Hash）、列表（List）、集合（Set）、有序集合（Sorted Set）等。每种数据结构都有丰富的操作命令，可以方便地对数据进行存储和处理。

• 持久化：Redis 提供了两种持久化方式，RDB（Redis Database）和 AOF（Append Only File）。RDB 是将数据库在指定时间点转储到磁盘的快照持久化方式，AOF 是将写操作追加到文件末尾的日志持久化方式。这两种方式可以根据需求进行选择，保证数据在服务器重启后不会丢失。

• 高性能：Redis 是一种内存数据库，数据存储在内存中，因此读写速度非常快。它采用单线程模型，避免了多线程带来的竞争问题，使得 Redis 能够充分利用 CPU 和内存资源。

• 支持事务：Redis 支持事务操作，可以将多个命令打包执行，保证这些命令要么全部执行成功，要么全部失败，保持数据的一致性。虽然 Redis 在单个命令的执行上是原子性的，但是多个命令的组合并不是原子性的，通过事务可以实现一组命令的原子性执行。

• 高可用与分布式：Redis 支持主从复制、哨兵和集群等功能，可以构建高可用和分布式的 Redis 架构。主从复制可以实现数据的热备份和读写分离，哨兵可以监控 Redis 的健康状态并进行自动故障转移，集群可以将数据分布在多个节点上，提高性能和扩展性。

• 发布订阅：Redis 支持发布订阅模式，可以实现消息的发布和订阅。发布者将消息发布到指定的频道，订阅者可以订阅感兴趣的频道并接收相应的消息，实现了解耦和实时通信。

Redis 为什么很快

• 内存存储：Redis将数据存储在内存中，而不是像传统的磁盘存储数据库那样将数据写入到硬盘上。由于内存的读写速度远远快于磁盘，因此Redis能够实现极快的读写性能。

• 单线程模型：Redis采用单线程模型，每个Redis实例都由单个主线程来处理所有的客户端请求。虽然单线程看起来似乎会限制其性能，但这实际上是Redis的一大优势。单线程模型消除了多线程之间的竞争和锁等开销，使得Redis能够充分利用CPU资源，并且避免了多线程带来的复杂性。此外，Redis在内部使用了I/O多路复用技术（例如epoll或kqueue）来处理并发请求，使得单线程能够同时处理多个客户端连接。

• 非阻塞IO：Redis使用了非阻塞IO，也就是在读写操作时不会阻塞其他操作。在读取数据时，如果内存中没有所需的数据，Redis会立即返回一个空结果，而不会等待数据从磁盘加载进来。这样即使在高并发情况下，Redis也能够快速地响应请求。

• 高效的数据结构：Redis支持多种高效的数据结构，比如字符串、哈希、列表、集合、有序集合等。这些数据结构的设计和实现都非常高效，能够在常量时间内完成查找、插入、删除等操作，保证了Redis的高速性能。

• 异步操作：Redis支持异步操作，比如异步持久化和异步复制。异步操作能够让Redis在进行磁盘持久化和主从复制时不会阻塞其他操作，提高了整体的性能。

• 优化的网络协议：Redis使用RESP（Redis Serialization Protocol）作为网络协议，RESP是一种简单、高效的二进制协议。RESP协议的设计使得网络传输的数据量尽可能地减少，减少了网络传输的开销，提高了性能。

• 原子性操作：Redis支持很多原子性操作，比如INCR、DECR、SETNX等。原子性操作能够在一条命令中完成多个操作，而且这些操作是不可中断的，保证了数据的一致性。

应用场景

由于 Redis 具备高性能、丰富的数据结构和多种特性，它的主要应用场景如下：

• 缓存：作为缓存数据库，Redis 可以将经常访问的数据存储在内存中，避免频繁读写数据库，提高应用的响应速度。缓存可以存储热点数据，减轻后端数据库的压力，提高系统的吞吐量。

• 计数器：利用 Redis 的原子性操作，可以实现高效的计数器功能，比如网站的点赞、浏览次数等统计功能。由于 Redis 原子性操作的特性，计数器的更新可以并发执行而不会出现竞争问题。

• 消息队列：Redis 的发布订阅功能和列表数据结构可以实现简单的消息队列，用于解耦系统的各个模块。生产者将消息发布到指定频道，消费者订阅感兴趣的频道并处理消息，实现异步消息传递。

• 排行榜：使用有序集合数据结构，可以实现排行榜功能，比如游戏中的玩家排名。通过有序集合的分数属性，可以对玩家的得分进行排序和排名，实时显示排行榜。

• 会话缓存：在 Web 应用中，可以使用 Redis 存储用户的会话数据，实现分布式会话管理。用户登录后，可以将会话数据存储在 Redis 中，从而实现多台服务器之间的会话共享。

如何安装和使用

安装 Redis 非常简单，可以通过官方网站下载源代码进行编译安装，也可以使用包管理工具安装。对于 Ubuntu 系统，可以使用以下命令安装 Redis：

bashCopy codesudo apt update
sudo apt install redis-server

安装完成后，可以使用以下命令启动 Redis 服务：

bashCopy code
sudo systemctl start redis-server

连接 Redis 服务器可以使用 redis-cli 命令行工具：

bashCopy code
redis-cli

5. 常用命令

• 设置键值对：

bashCopy code
SET key value

• 获取键值对：

bashCopy code
GET key

• 设置过期时间：

bashCopy code
SETEX key seconds value

• 删除键：

bashCopy code
DEL key

• 使用列表：

bashCopy codeLPUSH list_key value1 value2 value3   # 从左侧插入元素
RPUSH list_key value4 value5          # 从右侧插入元素
LRANGE list_key 0 -1                  # 获取所有元素

总结

Redis 是一款功能强大且广泛应用于各种场景的内存数据库。它的快速读写性能、丰富的数据结构和多种特性使得它成为处理高速数据和构建高可用、分布式系统的理想选择。无论是作为缓存、计数器、消息队列还是会话缓存，Redis 都能发挥出色的性能。