|

Redis是什么?

作者: 来源:|

引言

在Web应用发展的初期,那时关系型数据库受到了较为广泛的关注和应用,原因是因为那时候Web站点基本上访问和并发不高、交互也较少。而在后来,随着访问量的提升,使用关系型数据库的Web站点多多少少都开始在性能上出现了一些瓶颈,而瓶颈的源头一般是在磁盘的I/O上。而随着互联网技术的进一步发展,各种类型的应用层出不穷,这导致在当今云计算、大数据盛行的时代,对性能有了更多的需求,主要体现在以下四个方面:

1.    低延迟的读写速度:应用快速地反应能极大地提升用户的满意度

2.    支撑海量的数据和流量:对于搜索这样大型应用而言,需要利用PB级别的数据和能应对百万级的流量

3.    大规模集群的管理:系统管理员希望分布式应用能更简单的部署和管理

4.    庞大运营成本的考量:IT部门希望在硬件成本、软件成本和人力成本能够有大幅度地降低

为了克服这一问题,NoSQL应运而生,它同时具备了高性能、可扩展性强、高可用等优点,受到广泛开发人员和仓库管理人员的青睐。

Redis是什么

Redis是现在最受欢迎的NoSQL数据库之一,Redis是一个使用ANSI C编写的开源、包含多种数据结构、支持网络、基于内存、可选持久性的键值对存储数据库,其具备如下特性:

  • 基于内存运行,性能高效

  • 支持分布式,理论上可以无限扩展

  • key-value存储系统

  • 开源的使用ANSI C语言编写、遵守BSD协议、支持网络、可基于内存亦可持久化的日志型、Key-Value数据库,并提供多种语言的API


相比于其他数据库类型,Redis具备的特点是:

  • C/S通讯模型

  • 单进程单线程模型

  • 丰富的数据类型

  • 操作具有原子性

  • 持久化

  • 高并发读写

  • 支持lua脚本


哪些大厂在使用Redis?

  • github

  • twitter

  • 微博

  • Stack Overflow

  • 阿里巴巴

  • 百度

  • 美团

  • 搜狐


Redis的应用场景有哪些?

Redis 的应用场景包括:缓存系统(“热点”数据:高频读、低频写)、计数器、消息队列系统、排行榜、社交网络和实时系统。

Redis的数据类型及主要特性

Redis提供的数据类型主要分为5种自有类型和一种自定义类型,这5种自有类型包括:String类型、哈希类型、列表类型、集合类型和顺序集合类型。

String类型:

它是一个二进制安全的字符串,意味着它不仅能够存储字符串、还能存储图片、视频等多种类型, 最大长度支持512M。

对每种数据类型,Redis都提供了丰富的操作命令,如:

  • GET/MGET

  • SET/SETEX/MSET/MSETNX

  • INCR/DECR

  • GETSET

  • DEL

哈希类型:

该类型是由field和关联的value组成的map。其中,field和value都是字符串类型的。

Hash的操作命令如下:

  • HGET/HMGET/HGETALL

  • HSET/HMSET/HSETNX

  • HEXISTS/HLEN

  • HKEYS/HDEL

  • HVALS

列表类型:

该类型是一个插入顺序排序的字符串元素集合, 基于双链表实现。

List的操作命令如下:

  • LPUSH/LPUSHX/LPOP/RPUSH/RPUSHX/RPOP/LINSERT/LSET

  • LINDEX/LRANGE

  • LLEN/LTRIM

集合类型:

Set类型是一种无顺序集合, 它和List类型最大的区别是:集合中的元素没有顺序, 且元素是唯一的。

Set类型的底层是通过哈希表实现的,其操作命令为:

  • SADD/SPOP/SMOVE/SCARD

  • SINTER/SDIFF/SDIFFSTORE/SUNION

Set类型主要应用于:在某些场景,如社交场景中,通过交集、并集和差集运算,通过Set类型可以非常方便地查找共同好友、共同关注和共同偏好等社交关系。

顺序集合类型:

ZSet是一种有序集合类型,每个元素都会关联一个double类型的分数权值,通过这个权值来为集合中的成员进行从小到大的排序。与Set类型一样,其底层也是通过哈希表实现的。

ZSet命令:

  • ZADD/ZPOP/ZMOVE/ZCARD/ZCOUNT

  • ZINTER/ZDIFF/ZDIFFSTORE/ZUNION

Redis的数据结构

Redis的数据结构如下图所示:

3.png

关于上表中的部分释义:

1.    压缩列表是列表键和哈希键的底层实现之一。当一个列表键只包含少量列表项,并且每个列表项要么就是小整数,要么就是长度比较短的字符串,Redis就会使用压缩列表来做列表键的底层实现

2.    整数集合是集合键的底层实现之一,当一个集合只包含整数值元素,并且这个集合的元素数量不多时,Redis就会使用整数集合作为集合键的底层实现

如下是定义一个Struct数据结构的例子:

4.png

简单动态字符串SDS (Simple Dynamic String)

基于C语言中传统字符串的缺陷,Redis自己构建了一种名为简单动态字符串的抽象类型,简称SDS,其结构如下:

5.png

SDS几乎贯穿了Redis的所有数据结构,应用十分广泛。

SDS的特点

和C字符串相比,SDS的特点如下:

6.png

1. 常数复杂度获取字符串长度

    Redis中利用SDS字符串的len属性可以直接获取到所保存的字符串的长度,直接将获取字符串长度所需的复杂度从C字符串的O(N)降低到了O(1)。

2. 减少修改字符串时导致的内存重新分配次数

    通过C字符串的特性,我们知道对于一个包含了N个字符的C字符串来说,其底层实现总是N+1个字符长的数组(额外一个空字符结尾),那么如果这个时候需要对字符串进行修改,程序就需要提前对这个C字符串数组进行一次内存重分配(可能是扩展或者释放) ,而内存重分配就意味着是一个耗时的操作。

Redis巧妙的使用了SDS避免了C字符串的缺陷。在SDS中,buf数组的长度不一定就是字符串的字符数量加一,buf数组里面可以包含未使用的字节,而这些未使用的字节由free属性记录。

与此同时,SDS采用了空间预分配的策略,避免C字符串每一次修改时都需要进行内存重分配的耗时操作,将内存重分配从原来的每修改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对SDS的简单定义:

7.png

8.png

Redis特性1:事务

  • 命令序列化,按顺序执行

  • 原子性

  • 三阶段: 开始事务 - 命令入队 - 执行事务

  • 命令:MULTI/EXEC/DISCARD

Redis特性2:发布订阅(Pub/Sub)

  • Pub/sub是一种消息通讯模式

  • Pub发送消息, Sub接受消息

  • Redis客户端可以订阅任意数量的频道

  • “fire and forgot”, 发送即遗忘

  • 命令:Publish/Subscribe/Psubscribe/UnSub

9.png



Redis特性3:Stream

  • Redis 5.0新增

  • 等待消费

  • 消费组(组内竞争)

  • 消费历史数据

  • FIFO

10.png

以上就是Redis的基本概念,下面我们将介绍在开发过程中可能会踩到的“坑”。

Redis常见问题解析:击穿

概念:在Redis获取某一key时, 由于key不存在, 而必须向DB发起一次请求的行为, 称为“Redis击穿”。

11.png

引发击穿的原因:

  • 第一次访问

  • 恶意访问不存在的key

  • Key过期


合理的规避方案:

  • 服务器启动时, 提前写入

  • 规范key的命名, 通过中间件拦截

  • 对某些高频访问的Key,设置合理的TTL或永不过期


Redis常见问题解析:雪崩

概念:Redis缓存层由于某种原因宕机后,所有的请求会涌向存储层,短时间内的高并发请求可能会导致存储层挂机,称之为“Redis雪崩”。

合理的规避方案:

  • 使用Redis集群

  • 限流

除了Redis,还有什么NoSQL型数据库

市面上类似于Redis,同样是NoSQL型的数据库有很多,如下图所示,除了Redis,还有MemCache、Cassadra和Mongo。下面,我们就分别对这几个数据库做一下简要的介绍:

13.png

Memcache:这是一个和Redis非常相似的数据库,但是它的数据类型没有Redis丰富。Memcache由LiveJournal的Brad Fitzpatrick开发,作为一套分布式的高速缓存系统,被许多网站使用以提升网站的访问速度,对于一些大型的、需要频繁访问数据库的网站访问速度的提升效果十分显著。

Apache Cassandra:(社区内一般简称为C*)这是一套开源分布式NoSQL数据库系统。它最初由Facebook开发,用于储存收件箱等简单格式数据,集Google BigTable的数据模型与Amazon Dynamo的完全分布式架构于一身。Facebook于2008将 Cassandra 开源,由于其良好的可扩展性和性能,被 Apple、Comcast、Instagram、Spotify、eBay、Rackspace、Netflix等知名网站所采用,成为了一种流行的分布式结构化数据存储方案。

MongoDB:是一个基于分布式文件存储、面向文档的NoSQL数据库,由C++编写,旨在为WEB应用提供可扩展的高性能数据存储解决方案。MongoDB是一个介于关系数据库和非关系数据库之间的产品,是非关系数据库当中功能最丰富,最像关系型数据库的,它支持的数据结构非常松散,是一种类似json的BSON格式。


 


分享: