Redis内幕揭秘：探索基礎知識及應用場景，挖掘出高效的緩存技術

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Redis 是一個開源的記憶體資料結構存儲系統，它可以用作資料庫、緩存和消息中間件。以下是 Redis 的發展史：

• 2009 年：Salvatore Sanfilippo 開始編寫 Redis。
• 2010 年：Redis 釋出了 1.0 版本。這個版本包含了許多常用的資料結構，例如字元串、哈希表、清單、集合和有序集合。
• 2012 年：Redis 釋出了 2.6 版本，引入了持久化機制和 Lua 腳本支援。
• 2014 年：Redis 釋出了 3.0 版本，添加了 Cluster 功能，允許将多個 Redis 執行個體組成分布式叢集。
• 2015 年：Redis 釋出了 3.2 版本，引入了子產品化擴充功能，允許開發者編寫自定義的 Redis 子產品。
• 2018 年：Redis 釋出了 5.0 版本，引入了 Streams 資料類型和更好的叢集管理工具。
• 2021 年：Redis 釋出了 6.2 版本，添加了 RedisRaft 子產品，使得 Redis 可以支援強一緻性分布式系統。

随着時間的推移，Redis 已經成為了一個非常流行的開源項目，并被廣泛應用于網際網路和企業級應用程式中。

1、Redis基礎

1.1、資料類型

1）String（字元串）：最基本的資料結構，可以存儲任何類型的字元串、數字或二進制資料。

2）Hash（哈希表）：類似于關聯數組或字典，可以存儲多個字段和對應的值，常用于存儲對象屬性或配置資訊。

3）List（清單）：一個有序的字元串清單，支援在清單兩端進行插入和删除操作，還提供了多種操作，如查找、裁剪、排序等。

4）Set（集合）：一個無序的字元串集合，支援添加、删除、查找和求交、并、差等操作，還提供了多種操作，如求随機元素、判斷元素是否存在等。

5）ZSet（有序集合）：和 Set 類型相似，但是每個元素都有一個分數（score），根據分數進行排序，可以支援按照分數範圍進行查找、插入和删除操作。

1.2、持久化機制

Redis 的持久化機制有兩種：RDB（Redis Database）和AOF（Append Only File）。

1）RDB 持久化：将 Redis 記憶體中的資料以快照的形式儲存到硬碟中，即生成一個 RDB 檔案。可以手動或自動設定定時儲存 RDB 檔案。當 Redis 重新開機時，會從 RDB 檔案中讀取資料并恢複資料庫狀态。RDB 持久化适用于大規模的資料集和較長時間的備份。

2）AOF 持久化：将 Redis 執行的寫指令追加到 AOF 檔案中，記錄了 Redis 修改資料的所有操作。由于 AOF 檔案是一個完整的 Redo 日志，是以當 Redis 重新開機時可以通過重新執行 AOF 檔案中的所有寫指令來還原資料。AOF 持久化适用于需要高耐久性的場景，比如金融、電商等行業。

在使用 Redis 的持久化機制時，還需要注意以下幾點：

• 如果同時開啟了 RDB 和 AOF，Redis 支援首先使用 AOF 進行資料恢複，然後再使用 RDB 檔案進行備份。
• RDB 檔案和 AOF 檔案都可能比記憶體中的資料要舊，是以如果資料非常關鍵，最好同時開啟 RDB 和 AOF，保證不丢失資料。
• 定期儲存 RDB 檔案和 AOF 檔案的頻率應該根據實際需求進行調整，以平衡資料備份和性能損耗之間的關系。
• Redis 還提供了 BGSAVE 和 BGREWRITEAOF 指令來異步執行 RDB 和 AOF 持久化操作，避免阻塞 Redis 主線程。

當然生産上大多數是這兩種機制同時使用，以保證資料的安全性和可靠性。

1.3、部署方式

1）Sentinel 執行個體進行監控和故障轉移，實作 Redis 的自動故障恢複和主備切換。

2）Redis Cluster：Redis Cluster 是 Redis 官方提供的分布式叢集方案，支援資料分片和節點擴充，可以在不丢失資料的前提下動态增加或減少節點數量，提高了叢集的可擴充性和容錯性。

3）Codis：Codis 是一個開源的 Redis 資料庫中間件，基于 Redis 的主從複制和分片機制，提供了多種功能，如資料分片、節點管理、讀寫分離、高可用性等，并且可以與 ZooKeeper 等 Apache 開源軟體進行整合。

4）Twemproxy：Twemproxy（也稱為 Nutcracker）是一個類似于代理伺服器的 Redis 中間件，支援多個 Redis 執行個體的負載均衡和故障轉移，可以提高 Redis 叢集的性能和可靠性。

2、Redis應用場景

2.1、緩存

Redis 最常見的應用場景就是作為緩存來提高讀寫性能。由于 Redis 基于記憶體讀寫，響應速度非常快，是以可以用來緩存熱點資料，如網站首頁、商品資訊等。通過使用 TTL（time to live）機制來設定緩存過期時間，可以避免緩存資料過期而導緻的問題。

2.2、分布式鎖

Redis 可以用作分布式鎖，通過設定一個唯一的鍵值對來控制通路某個資源的并發數。當一個用戶端需要通路該資源時，先去擷取分布式鎖，執行完後再釋放鎖，以保證同時隻有一個用戶端在通路該資源。這種方式可以有效避免因為并發通路而導緻的資料沖突和競争問題。

Redis實作分布式鎖的技術方案有很多，其中比較常用的包括：

1）基于SETNX指令+Lua腳本：使用SETNX指令建立一個鍵值對，如果該鍵不存在，表示加鎖成功；否則表示加鎖失敗。釋放鎖時，使用DEL指令删除該鍵。配合Lua腳本可以讓加鎖和釋放鎖過程封裝成原子性操作，避免出現誤删等問題。

2）Redisson：是一個Java實作的Redis用戶端，提供了完整的分布式鎖解決方案，支援多種鎖模式（例如可重入鎖、公平鎖等），并提供了逾時自動釋放鎖、異步執行等功能。

3）Spring Boot + LockRegistry(推薦)：LockRegistry是Spring Boot提供的接口，可以輕松地将分布式鎖嵌入到應用程式中。LockRegistry接口可以與不同的分布式鎖提供者（如Redis）內建，并提供了簡單易用的API，使開發人員無需關注底層實作細節。

需要注意的是，在選擇分布式鎖方案時，需要根據實際情況進行考慮。不同的方案具有不同的特點和适用場景，需要根據業務需求和系統負載情況進行選擇和優化。同時，分布式鎖的實作過程需要特别注意死鎖和誤删等問題，必要時可以借助第三方庫進行實作。

2.3、實時排行榜

Redis 可以用來實作實時排行榜，通過将使用者行為資料記錄下來，如點贊數、評論數等，然後通過 ZSET（有序集合）資料類型來實作實時排名和排序。這種方式可以很好地滿足諸如遊戲排名、電商銷量排行等實時統計的需求。

2.4、計數器/自增ID

Redis 還可以用作計數器，通過使用 INCR 指令來實作。當需要對某個計數器進行增加操作時，隻需要執行一次 INCR 指令即可。由于 Redis 的原子性操作，可以保證在高并發場景下的資料一緻性。

2.5、消息隊列

Redis 也可以用作消息隊列，在分布式系統中起到重要的作用。生産者将消息存入隊列中，消費者從隊列中取出消息進行處理。通過使用 Redis 的 PUB/SUB（釋出/訂閱）功能或者 Stream來實作消息的釋出和訂閱，保證了消息傳遞的可靠性和高效性。

2.6、地理位置應用

Redis 還具有地理位置服務的特性，可以記錄每個使用者的位置資訊，并将其儲存在 Redis 中。然後通過 GeoHash 和 Geospatial 資料類型來實作位置資訊的查找和計算，以實作類似于附近的人、打車等服務。

3、Redis進階

3.1、資料類型

除了常見的 String、Hash、List、Set、ZSet 等資料類型，Redis 還支援以上提到的其他資料類型，如 Bitmaps、HyperLogLog、Geo 和 Streams 等。

1）JSON

雖然Redis在自身的核心中并不原生支援JSON資料類型，但是通過Redis子產品系統，可以使用第三方擴充子產品來支援JSON資料類型。Redis 4.0及以上版本引入了Modules（子產品）系統，允許開發者編寫自己的擴充子產品來擴充Redis的功能。目前有一些第三方子產品已經實作了對JSON資料類型的支援，例如RedisJSON和ReJSON等。

2）釋出訂閱/Redis Streams：

Redis 釋出訂閱 (pub/sub) 是一種消息通信模式：發送者 (pub) 發送消息，訂閱者 (sub) 接收消息。Redis中的訂閱釋出模式, 當沒有訂閱者時, 消息會被直接丢棄(Redis不會持久化儲存消息)。

Redis Stream 是 Redis 5.0 版本新增加的資料結構。Redis Stream 主要用于消息隊列（MQ，Message Queue），Redis 本身是有一個 Redis 釋出訂閱 (pub/sub) 來實作消息隊列的功能，但它有個缺點就是消息無法持久化，如果出現網絡斷開、Redis 當機等，消息就會被丢棄。簡單來說釋出訂閱 (pub/sub) 可以分發消息，但無法記錄曆史消息。而 Redis Stream 提供了消息的持久化和主備複制功能，可以讓任何用戶端通路任何時刻的資料，并且能記住每一個用戶端的通路位置，還能保證消息不丢失。

3）Geo

Redis GEO 主要用于存儲地理位置資訊，并對存儲的資訊進行操作，該功能在 Redis 3.2 版本新增。

3.2、Redis管道技術

Redis管道技術是一種優化Redis用戶端與伺服器之間互動的方式，它可以将多個指令打包在一起發送到Redis伺服器，進而減少了網絡傳輸和用戶端/伺服器之間的通信次數，提高了Redis的性能。具體來說，Redis管道技術的工作流程如下：

1）用戶端向Redis伺服器發送多個指令。

2）Redis伺服器将這些指令緩存到隊列中，并等待用戶端的響應。

3）用戶端接收到伺服器響應後，再一次性地發送所有指令的響應結果。

4）Redis伺服器處理這些響應結果，并将它們傳回給用戶端。

通過使用Redis管道技術，可以顯著降低Redis用戶端與伺服器之間的延遲，并提高資料讀寫效率。此外，Redis管道技術還具有批量操作、事務處理等功能，可以簡化程式設計和管理複雜性。

需要注意的是，雖然Redis管道技術可以提高Redis的性能，但也會增加系統複雜性和記憶體負擔。是以，在實際使用中，需要根據業務需求和系統負載情況進行合理調整和配置。

4、相關問題

1）Redis為什麼那麼快？

（1）記憶體存儲：Redis将資料存儲在記憶體中，使得讀寫速度非常快。同時，Redis也提供持久化機制，可以将記憶體資料異步地寫入磁盤中，保證資料的安全性和可靠性。

（2）非阻塞I/O多路複用機制：Redis使用非阻塞I/O模型，避免了線程上下文切換和系統調用帶來的開銷，進而大幅提高了并發吞吐量。

（3）單線程架構：Redis采用單線程架構，避免了多線程間的同步和鎖競争等問題，簡化了代碼實作和維護。

（4）資料結構優化：Redis内置了多種資料結構（如哈希表、有序集合等），并對其進行了優化，使得操作複雜度低，并能在很短的時間内完成大量的資料處理。

（5）預配置設定記憶體：Redis在初始化時會預先配置設定一定量的記憶體空間，避免了頻繁的記憶體配置設定和釋放過程，提高了性能。

2）Redis為什麼使用單線程？

Redis官方的回複：

“Redis的性能瓶頸通常不在CPU上，而是其他因素（如磁盤I/O和網絡請求等）限制了系統的性能。”

3）Redis支援多線程嗎？

Redis采用單線程模型，不支援多線程操作。這是因為Redis是一個基于記憶體的資料存儲系統，大部分操作都需要通路記憶體，而記憶體通路通常是CPU密集型任務，多線程情況下會存線上程之間的上下文切換和鎖競争等問題，反而會降低效率。

雖然Redis 6.0+ 引入多線程IO，但隻是用來處理網絡資料的讀寫、協定的解析及日志操作等，而執行指令依舊是單線程，是以不需要去考慮set/get、事務、lua等的并發問題。

4）Redis有哪些資料結構？

Redis支援字元串、哈希表、清單、集合和有序集合等五種資料結構。

5）Redis的持久化機制有哪些？它們之間有什麼差別？

Redis支援RDB（快照）和AOF（追加式檔案）兩種持久化機制。RDB會定期将記憶體資料快照寫入磁盤檔案，而AOF則将所有操作指令追加到一個日志檔案中。相比而言，AOF更為可靠，但同時也需要更多的磁盤空間和IO資源。

6）Redis如何實作分布式鎖？

Redis可以通過SETNX指令建立一個鍵值對作為鎖，并使用Lua腳本實作原子性的加鎖和釋放鎖操作。此外，還可以使用第三方庫如Redisson提供的分布式鎖解決方案。

7）Redis支援哪些類型的指令？

Redis支援基本的讀寫指令，如GET/SET/HGETALL等，以及一些進階指令，如事務、釋出訂閱等。

8）Redis的線程模型是什麼？

Redis采用單線程架構，但通過使用事件驅動和非阻塞I/O技術，可以處理大量并發請求。

9）Redis如何保證資料的一緻性？

Redis采用原子性操作和持久化機制來保證資料的一緻性。例如，可以使用Redis事務（MULTI/EXEC）、管道技術、Lua腳本等方式實作原子性操作；通過開啟持久化功能，可以将記憶體資料寫入磁盤檔案并在伺服器重新開機後恢複資料。

10）Redis如何處理大量的并發請求？

Redis采用非阻塞I/O多路複用和事件驅動模型，可以高效地處理大量并發請求，并提供了線程池和緩沖區等機制來進一步優化性能。

11）Redis有哪些常見的應用場景？

Redis常見的應用場景包括緩存、計數器、消息隊列、分布式鎖等。

12）Redis的叢集模式有哪些？

Redis支援主從複制、Sentinel哨兵模式和Cluster叢集模式三種叢集模式。其中，主從複制和Sentinel模式适用于較小的系統或需要高可用的場景，而Cluster模式則适用于更大規模的系統。

13）Redis如何實作釋出訂閱功能？

Redis 本身是有一個 Redis 釋出訂閱 (pub/sub) 來實作消息隊列的功能，但它有個缺點就是消息無法持久化，如果出現網絡斷開、Redis 當機等，消息就會被丢棄。簡單來說釋出訂閱 (pub/sub) 可以分發消息，但無法記錄曆史消息。而 Redis Stream 提供了消息的持久化和主備複制功能，可以讓任何用戶端通路任何時刻的資料，并且能記住每一個用戶端的通路位置，還能保證消息不丢失。

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