Redis简明教程

Posted 2022-11-28 linwenbin

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Redis是啥？用Redis官方的话来说就是：

Redis is an open source (BSD licensed), in-memory data structure store, used as a database, cache and message broker.

Redis是一个开源的、基于内存的数据结构存储器，可以用作数据库、缓存和消息中间件。

What??? 这玩意把数据放在内存，还想当数据库使？为什么是“data structure store”，而不是“data store”？还能用作消息中间件？？你这么牛，你咋不上天？

是的，Redis就是这么牛 (￣▽￣)~*

我们只需从Redis最常用的功能——缓存，开始了解，上面那些问题也就迎刃而解了。

如果你是Redis新手，或者此前从未接触过Redis，那么这篇文章不仅能帮你快速了解Redis的实现原理，还能帮你了解一些架构设计的艺术；如果你是Redis老司机，那么，希望这篇文章能带给你一些新的东西。

1、你会怎样实现一个缓存？

假设让你设计一个缓存，你会怎么做？

相信大家都会想到用Map来实现，就像这样：

String value = map.get("someKey");

if(null == value)

  value = queryValueFromDB("someKey");

那用什么Map呢？HashMap、TreeMap这些都线程不安全，那就用HashTable或者ConcurrentHashMap好了。

不管你用什么样的Map，它的背后都是key-value的Hash表结构，目的就是为了实现O(1)复杂度的查找算法，Redis也是这样实现的，另一个常用的缓存框架Memcached也是。

Hash表的数据结构是怎样的呢？相信很多人都知道，这里简单画个图：

简单说，Hash表就是一个数组，而这个数组的元素，是一个链表。

为什么元素是链表？理论上，如果我们的数组可以做成无限大，那么每来一个key，我们都可以把它放到一个新的位置。但是这样很明显不可行，数组越大，占用的内存就越大。

所以我们需要限制数组的大小，假设是16，那么计算出key的hash值后，对16取模，得出一个0~15的数，然后放到数组对应的位置上去。

好，现在key1放到index为2的位置，突然又来了一个key9，刚好他也要放到index为2的位置，那咋办，总不能把人家key1给踢掉吧？所以key1的信息必须存储在一个链表结构里面，这样key9来了之后，只需要把key1所在的链表节点的next，指向key9的链表节点即可。

这样就没问题了吗？想象一下，如果链表越来越长，会有什么问题？

很明显，链表越长，Hash表的查询、插入、删除等操作的性能都会下降，极端情况下，如果全部元素都放到了一个链表里头，复杂度就会降为O(n)，也就和顺序查找算法无异了。（正因如此，Java8里头的HashMap在元素增长到一定程度时会从链表转成一颗红黑树，来减缓查找性能的下降）

怎么解决？rehash。

关于rehash，这里就不细讲了，大家可以先了解一下Java HashMap的resize函数，然后再通过这篇文章：A little internal on redis key value storage implementation 去了解Redis的rehash算法，你会惊讶的发现Redis里头居然是两个HashTable。

好，上面带大家从一个及其微观的角度窥视了Redis，下面几个小节，再带大家用宏观的视角去观察Redis。

2、C/S架构

作为Redis用户，我们要怎样把数据放到上面提到的Hash表里呢？

我们可以通过Redis的命令行，当然也可以通过各种语言的Redis API，在代码里面对Hash表进行操作，这些都是Redis客户端（Client），而Hash表所在的是Redis服务端（Server），也就是说Redis其实是一个C/S架构。

显然，Client和Server可以是在一台机器上的，也可以不在：

如果你想玩一下Redis，又不想自己搭建环境，可以试一下这一个非常好玩的网页：Try Redis，你可以按照上面的提示，熟悉Redis的基础命令，感受一下Redis的C/S模式。

值得一提的是，Redis的Server是单线程服务器，基于Event-Loop模式来处理Client的请求，这一点和NodeJS很相似。使用单线程的好处包括：

• 不必考虑线程安全问题。很多操作都不必加锁，既简化了开发，又提高了性能；

• 减少线程切换损耗的时间。线程一多，CPU在线程之间切来切去是非常耗时的，单线程服务器则没有了这个烦恼；

当然，单线程服务器最大的问题自然是无法充分利用多处理器，不过没关系，别忘了现在的机器很便宜。请继续往下看。

3、集群

好，现在我们已经知道了Redis是一个C/S架构的框架，那就让我们开始用Redis来缓存信息，缓解数据库的压力吧！

我们搭起了这样一个框架，一台客户端，一台Redis缓存服务器：

一开始风和日丽，系统运行良好。

后来，我们系统中使用Redis的客户端越来越多，变成了这样：

这带来了两个问题：

• Redis内存不足：随着使用Redis的客户端越来越多，Redis上的缓存数据也越来越大，而一台机器的内存毕竟是有限的，放不了那么多数据；

• Redis吞吐量低：客户端变多了，可Redis还是只有一台，而且我们已经知道，Redis是单线程的！这就好比我开了一家饭店，一开始每天只有100位客人，我雇一位服务员就可以，后来生意好了，每天有1000位客人，可我还是只雇一位服务员。一台机器的带宽和处理器都是有限的，Redis自然会忙不过来，吞吐量已经不足以支撑我们越来越庞大的系统。

分析完问题，解决思路也就再清晰不过了——集群。一台Redis不够，那就再加多几台！

客户端的请求会通过负载均衡算法（通常是一致性Hash），分散到各个Redis服务器上。
通过集群，我们实现了两个特性：

• 扩大缓存容量；

• 提升吞吐量；

解决了上面提到的两个问题。

4、主从复制

好，现在我们已经把Redis升级到了集群，真可谓效果杠杠的，可运行了一段时间后，运维又过来反馈了两个问题：

• 数据可用性差：如果其中一台Redis挂了，那么上面全部的缓存数据都会丢失，导致原来可以从缓存中获取的请求，都去访问数据库了，数据库压力陡增。

• 数据查询缓慢：监测发现，每天有一段时间，Redis 1的访问量非常高，而且大多数请求都是去查一个相同的缓存数据，导致Redis 1非常忙碌，吞吐量不足以支撑这个高的查询负载。

问题分析完，要想解决可用性问题，我们第一个想到的，就是数据库里头经常用到的Master-Slave模式，于是，我们给每一台Redis都加上了一台Slave：

通过Master-Slave模式，我们又实现了两个特性：

• 数据高可用：Master负责接收客户端的写入请求，将数据写到Master后，同步给Slave，实现数据备份。一旦Master挂了，可以将Slave提拔为Master；

• 提高查询效率：一旦Master发现自己忙不过来了，可以把一些查询请求，转发给Slave去处理，也就是Master负责读写或者只负责写，Slave负责读；

为了让Master-Slave模式发挥更大的威力，我们当然可以放更多的Slave，就像这样：

可这样又引发了另一个问题，那就是Master进行数据备份的工作量变大了，Slava每增加一个，Master就要多备份一次，于是又有了Master/slave chains的架构：

没错，我们让Slave也有自己的Slave，有点像古代的分封制。

这样最顶层的Master的备份压力就没那么大了，它只需要备份两次，然后让那它底下的那两台Slave再去和他们的Slave备份。

关于Master/slave chains，大家可以参考这篇文章 RedisLab Master/slave chains

5、Redis没那么简单

这篇文章只是带大家逛一逛Redis的庄园，让大家从微观到宏观，对Redis有一个初步的了解。

事实上，Redis内部要处理的问题还有很多：

• 数据结构。文章一开头提到了，Redis不仅仅是数据存储器，而是数据结构存储器。那是因为Redis支持客户端直接往里面塞各种类型的数据结构，比如String、List、Set、SortedSet、Map等等。你或许会问，这很了不起吗？我自己在Java里写一个HashTable不也可以放各种数据结构？呵呵，要知道你的HashTable只能放Java对象，人家那可是支持多语言的，不管你的客户端是Java还是Python还是别的，都可以往Redis塞数据结构。这一点也是Redis和Memcached相比，非常不同的一点。当然Redis要支持数据结构存储，是以牺牲更多内存为代价的，正所谓有利必有弊。关于Redis里头的数据结构，大家可以参考：Redis Data Types

• 剔除策略。缓存数据总不能无限增长吧，总得剔除掉一些数据，好让新的缓存数据放进来吧？这就需要LRU算法了，大家可以参考：Redis Lru Cache

• 负载均衡。用到了集群，就免不了需要用到负载均衡，用什么负载均衡算法？在哪里使用负载均衡？这点大家可以参考：Redis Partitioning

• Presharding。如果一开始只有三台Redis服务器，后来发现需要加多一台才能满足业务需要，要怎么办？Redis提供了一种策略，叫：Presharding

• 数据持久化。如果我的机器突然全部断电了，我的缓存数据还能恢复吗？Redis说，相信我，可以的，不然我怎么用作数据库？去看看这个：Redis Persistence

• 数据同步。这篇文章里提到了主从复制，那么Redis是怎么进行主从复制的呢？根据CAP理论，既然我们已经选择了集群，也就是P，分区容忍性，那么剩下那两个，Consistency和Availability只能选择一个了，那么Redis到底是支持最终一致性还是强一致性呢？可以参考：Redis Replication

• ……

5、参考文献&学习资源