Redis 完整指南：命令与原理详解

在现代应用开发中，Redis 作为一个高性能的键值存储数据库，凭借其卓越的性能和丰富的数据结构，广泛应用于缓存、消息队列、实时分析等多个领域。

1. Redis 概述

什么是 Redis

Redis（Remote Dictionary Server）是一个开源的、高性能的键值对（Key-Value）存储数据库，广泛用于数据库、缓存和消息代理。由 Salvatore Sanfilippo 于 2009 年创建，Redis 具备以下显著特点：

• 内存存储：所有数据存储在内存中，提供极高的读写速度。
• 多种数据结构：支持字符串、列表、哈希、集合、有序集合等多种数据类型，满足不同的应用需求。
• 持久化：提供 RDB 和 AOF 两种持久化机制，确保数据在服务器重启后不丢失。
• 原子操作：所有操作都是原子性的，支持事务处理。
• 丰富的功能：包括发布/订阅、Lua 脚本、主从复制、哨兵和集群模式，适应各种复杂应用场景。

Redis 应用场景

Redis 的高性能和多样的数据结构使其适用于多种场景，包括但不限于：

• 缓存：缓存数据库查询结果、会话数据等，提升系统性能。
• 消息队列：通过列表或发布/订阅模式实现消息队列功能。
• 排行榜和计数器：利用有序集合和计数器功能实现实时排行榜和计数器。
• 实时分析：进行实时数据分析和统计，如网站访问量、在线用户数等。
• 分布式锁：在分布式系统中实现锁机制，保证资源的安全访问。
• 持久化存储：在需要高性能读写且数据量较小的场景下作为主数据存储。

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2. 安装与启动

Redis 安装步骤

Redis 的安装方式多种多样，常见的有源代码安装和使用包管理器安装。以下以源代码安装和 Ubuntu 系统下的包管理器安装为例，详细介绍 Redis 的安装步骤。

源代码安装

1. 下载源码：

   wget http://download.redis.io/redis-stable.tar.gz
   tar xzf redis-stable.tar.gz
   cd redis-stable
   

2. 编译：

   make
   make test  # 可选，运行测试确保编译正确
   sudo make install
   

3. 配置：
   Redis 默认配置文件为 redis.conf，可以复制一份进行修改：

   cp redis.conf /etc/redis.conf
   # 以管理员身份登录
   sudo -i
   cd /etc/redis/
   #备份
   cp redis.conf redis.conf.copy
   

4. 启动 Redis：

   redis-server /etc/redis.conf
   

使用包管理器安装（以 Ubuntu 为例）

1. 更新包列表：

   sudo apt update
   

2. 安装 Redis：

   sudo apt install redis-server
   

3. 启动 Redis 服务：

   sudo systemctl start redis
   sudo systemctl enable redis  # 设置开机自启动
   

编译与启动命令

编译 Redis 源代码的主要命令如下：

• 编译：

  make
  

• 运行测试（可选）：

  make test
  

• 安装：

  sudo make install
  

• 配置：

  sudo vim /etc/redis/redis.conf
  

  # 守护进程，修改为yes后即后台运行
  daemonize yes
  # 监听的地址，默认127.0.0.1，会导致只能在本地访问，修改为0.0.0.0则可以在任意IP范文
  bind 0.0.0.0
  # 密码，设置后访问redis必须输入密码
  requirepass 123456
  # 监听端口号，默认6379
  port 6379

  #重启 redis
  sudo service redis restart
  

启动 Redis 服务器的命令：

redis-server /path/to/redis.conf

常用选项包括：

• 后台运行：
  在 redis.conf 中设置 daemonize yes，或使用命令行参数 --daemonize yes。

• 指定配置文件：

  redis-server /etc/redis/redis.conf
  

停止 Redis 服务器：

redis-cli shutdown

编客户端连接

redis-cli [options] [commonds]
-h 指定要连接的redis节点的IP地址，默认是127.0.0.1
-p 指定要连接的redis节点的端口，默认是6379
-a 指定redis的访问密码 #例如
redis-cli -h 127.0.0.1 -a 123456

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3. Redis 存储结构

Redis 支持多种数据结构，每种数据结构适用于不同的应用场景。以下是 Redis 的主要存储结构详解。

KV 存储结构

Redis 的基本数据模型是键值对（Key-Value）。每个键都是唯一的，可以关联不同类型的值。键通常是字符串，值可以是多种数据类型，包括字符串、列表、哈希、集合和有序集合。

数据结构类型

String（字符串）

• 描述：最基本的 Redis 数据类型，类似于键值对中的值。
• 特点：
  • 可以包含任何类型的数据，如文本、数字、二进制数据。
  • 最大值为 512 MB。
• 常用命令：
  • SET key value：设置键的值。
  • GET key：获取键的值。
  • INCR key：将键的值递增。

示例：

SET name "Alice"
GET name  # 返回 "Alice"

List（列表）

• 描述：一个有序的字符串列表，可以从两端推入或弹出元素。
• 特点：
  • 支持队列和栈操作。
  • 双端链表实现，适合频繁的头尾操作。
• 常用命令：
  • LPUSH key value：在列表左侧推入一个值。
  • RPUSH key value：在列表右侧推入一个值。
  • LPOP key：弹出左侧第一个值。
  • RPOP key：弹出右侧第一个值。

示例：

LPUSH mylist "a"
RPUSH mylist "b"
LRANGE mylist 0 -1  # 返回 ["a", "b"]

Hash（哈希）

• 描述：键对应的值是一个键值对集合，类似于对象或字典。
• 特点：
  • 适合存储对象的属性。
  • 内存占用较少。
• 常用命令：
  • HSET key field value：设置哈希字段的值。
  • HGET key field：获取哈希字段的值。
  • HGETALL key：获取哈希中所有字段和值。

示例：

HSET user:1000 name "Alice" age "30"
HGETALL user:1000  # 返回 {"name": "Alice", "age": "30"}

Set（集合）

• 描述：一个无序的字符串集合，所有元素都是唯一的。
• 特点：
  • 支持集合间的交、并、差运算。
  • 适合存储标签、好友列表等。
• 常用命令：
  • SADD key member：向集合添加一个成员。
  • SREM key member：从集合中移除一个成员。
  • SMEMBERS key：获取集合中的所有成员。

示例：

SADD myset "a" "b" "c"
SMEMBERS myset  # 返回 ["a", "b", "c"]

Zset（有序集合）

• 描述：一个带有分数的有序集合，成员按分数排序。
• 特点：
  • 支持按分数范围查询。
  • 适合实现排行榜、优先队列等。
• 常用命令：
  • ZADD key score member：向有序集合添加成员及其分数。
  • ZRANGE key start stop [WITHSCORES]：按分数范围获取成员。
  • ZREM key member：移除有序集合中的成员。

示例：

ZADD leaderboard 100 "Alice"
ZADD leaderboard 200 "Bob"
ZRANGE leaderboard 0 -1 WITHSCORES  # 返回 ["Alice", "100", "Bob", "200"]

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4. 基础命令

Redis 提供了丰富的命令集来操作不同的数据结构。以下是各数据类型的一些常用基础命令。

String 相关命令

• SET：设置键的值。

  SET key value
  

• GET：获取键的值。

  GET key
  

• INCR：将键的值递增 1。

  INCR key
  

• DECR：将键的值递减 1。

  DECR key
  

• APPEND：向键的值追加字符串。

  APPEND key value
  

List 相关命令

• LPUSH：在列表左侧推入一个或多个值。

  LPUSH key value1 [value2 ...]
  

• RPUSH：在列表右侧推入一个或多个值。

  RPUSH key value1 [value2 ...]
  

• LPOP：弹出列表左侧第一个值。

  LPOP key
  

• RPOP：弹出列表右侧第一个值。

  RPOP key
  

• LRANGE：获取列表指定范围的值。

  LRANGE key start stop
  

Hash 相关命令

• HSET：设置哈希字段的值。

  HSET key field value
  

• HGET：获取哈希字段的值。

  HGET key field
  

• HDEL：删除哈希中的一个或多个字段。

  HDEL key field1 [field2 ...]
  

• HGETALL：获取哈希中所有字段和值。

  HGETALL key
  

• HEXISTS：检查哈希中是否存在某个字段。

  HEXISTS key field
  

Set 相关命令

• SADD：向集合添加一个或多个成员。

  SADD key member1 [member2 ...]
  

• SREM：从集合中移除一个或多个成员。

  SREM key member1 [member2 ...]
  

• SMEMBERS：获取集合中的所有成员。

  SMEMBERS key
  

• SISMEMBER：检查成员是否在集合中。

  SISMEMBER key member
  

• SCARD：获取集合的成员数量。

  SCARD key
  

Zset 相关命令

• ZADD：向有序集合添加一个或多个成员及其分数。

  ZADD key score1 member1 [score2 member2 ...]
  

• ZRANGE：按分数范围获取成员。

  ZRANGE key start stop [WITHSCORES]
  

• ZREM：移除有序集合中的一个或多个成员。

  ZREM key member1 [member2 ...]
  

• ZSCORE：获取成员的分数。

  ZSCORE key member
  

• ZCARD：获取有序集合的成员数量。

  ZCARD key
  

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5. Redis 高级应用

Redis 不仅是一个简单的键值存储，还支持许多高级功能，适用于复杂的应用场景。以下是 Redis 的几种高级应用详解。

分布式锁

在分布式系统中，分布式锁用于确保多个进程或线程之间对共享资源的互斥访问。Redis 通过 SETNX 命令和过期时间来实现分布式锁。

实现步骤：

1. 尝试获取锁：

   SET key value NX PX timeout
   

   • NX：只有在键不存在时才设置键。
   • PX timeout：设置键的过期时间，防止死锁。

2. 释放锁：
   通过 Lua 脚本确保释放锁的原子性：

   if redis.call("GET", key) == value thenreturn redis.call("DEL", key)
   elsereturn 0
   end
   

示例：

SET mylock "unique_value" NX PX 30000  # 尝试获取锁，30秒过期

位运算

Redis 提供了对位（bit）的操作，通过 BITOP 和相关命令可以进行高效的位操作。

常用命令：

• SETBIT：设置位值。

  SETBIT key offset value
  

• GETBIT：获取位值。

  GETBIT key offset
  

• BITCOUNT：统计位为 1 的数量。

  BITCOUNT key [start end]
  

• BITOP：对多个键的位进行操作（AND, OR, XOR, NOT）。

  BITOP operation destkey key1 [key2 ...]
  

应用场景：

• 用户活跃度统计。
• 布隆过滤器实现。
• 权限控制。

累加器

累加器用于对数值进行累加操作，常用于统计和计数。

实现方式：

利用 Redis 的 INCR、INCRBY 等命令对键的值进行递增操作。

示例：

INCR page_views  # 将 page_views 键的值递增 1
INCRBY page_views 10  # 将 page_views 键的值递增 10

阻塞队列与异步消息队列

Redis 的列表可以用作阻塞队列，通过 BLPOP 和 BRPOP 命令实现。

阻塞队列：

生产者通过 RPUSH 将消息推入队列，消费者通过 BLPOP 从队列左侧阻塞获取消息。

示例：

# 生产者
RPUSH queue "message1"# 消费者
BLPOP queue 0  # 阻塞等待直到有消息

发布/订阅模式：

利用 Redis 的发布/订阅功能实现消息广播。

示例：

# 订阅者
SUBSCRIBE channel1# 发布者
PUBLISH channel1 "Hello, World!"

分布式定时器

分布式定时器用于在分布式系统中实现定时任务，可以利用 Redis 的有序集合和定时任务调度机制。

实现步骤：

1. 存储定时任务：
   将定时任务存储在有序集合中，分数为执行时间戳。

   ZADD timers timestamp task_data
   

2. 调度执行：
   定期检查有序集合中分数小于等于当前时间的任务并执行。

   ZRANGEBYSCORE timers -inf current_timestamp
   

3. 执行并移除任务：
   执行任务后，将其从有序集合中移除。

   ZREM timers task_data
   

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6. Redis 使用场景

Redis 的高性能和多样化的数据结构使其适用于多种实际应用场景。以下是一些典型的使用案例。

朋友圈点赞与评论

在社交应用中，用户的点赞和评论操作需要高并发处理。Redis 的高性能读写能力可以有效应对这种场景。

实现方式：

• 点赞计数：
  使用字符串或哈希存储每条动态的点赞数量。

  INCR post:1000:likes
  

• 用户点赞记录：
  使用集合记录用户对哪些动态进行了点赞，防止重复点赞。

  SADD user:1000:liked_posts 2000
  

• 评论存储：
  使用列表存储动态的评论。

  RPUSH post:1000:comments "Great post!"
  

购物车实现

在电商平台中，购物车需要快速响应用户的添加、删除和更新操作。Redis 的哈希和列表结构非常适合此类需求。

实现方式：

• 用户购物车：
  使用哈希存储每个用户购物车中的商品及数量。

  HSET cart:user1000 item123 2
  HSET cart:user1000 item456 1
  

• 购物车列表：
  使用列表记录购物车中的商品顺序，支持展示和排序。

  RPUSH cart:user1000:items "item123" "item456"
  

抽奖应用

抽奖应用需要高效随机抽取中奖用户，Redis 的集合和有序集合提供了良好的支持。

实现方式：

• 用户集合：
  使用集合存储所有参与抽奖的用户。

  SADD lottery:participants user1 user2 user3 ...
  

• 随机抽取：
  使用 SRANDMEMBER 命令随机抽取中奖用户。

  SRANDMEMBER lottery:participants 1
  

时间窗口限流

为了防止系统被过多请求压垮，可以使用 Redis 实现基于时间窗口的限流。

实现方式：

• 滑动时间窗口：
  使用有序集合记录请求的时间戳，并在每次请求时清理过期记录，判断当前请求数是否超过限制。

  ZADD user:1000:requests timestamp
  ZREMRANGEBYSCORE user:1000:requests -inf (current_time - window_size)
  ZCARD user:1000:requests
  

• 固定时间窗口：
  使用计数器在固定时间窗口内计数。

  INCR user:1000:count
  EXPIRE user:1000:count window_size
  

百度热榜与延时队列

百度热榜：
利用有序集合实现实时的热点榜单，根据关键词的热度（分数）排序展示。

实现方式：

ZINCRBY hotwords 1 "keyword1"
ZRANGE hotwords 0 -1 WITHSCORES

延时队列：
使用有序集合和定时任务调度实现延时任务，如定时发送邮件、订单超时处理等。

实现方式：

ZADD delayed_tasks execute_timestamp "task_data"

定期检查并执行到期任务：

ZRANGEBYSCORE delayed_tasks -inf current_timestamp

参考

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