Redis簡明教程

本文公眾號來源：柳樹的絮叨叨

作者：SexyCode

Redis是啥？用Redis官方的話來說就是：

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

Redis是一個開源的、基于內(nèi)存的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲器，可以用作數(shù)據(jù)庫、緩存和消息中間件。

What??? 這玩意把數(shù)據(jù)放在內(nèi)存，還想當(dāng)數(shù)據(jù)庫使？為什么是“data structure store”，而不是“data store”？還能用作消息中間件？？你這么牛，你咋不上天？

是的，Redis就是這么牛 (￣▽￣)~*

我們只需從Redis最常用的功能——緩存，開始了解，上面那些問題也就迎刃而解了。

如果你是Redis新手，或者此前從未接觸過Redis，那么這篇文章不僅能幫你快速了解Redis的實現(xiàn)原理，還能幫你了解一些架構(gòu)設(shè)計的藝術(shù)；如果你是Redis老司機(jī)，那么，希望這篇文章能帶給你一些新的東西。

假設(shè)讓你設(shè)計一個緩存，你會怎么做？

相信大家都會想到用Map來實現(xiàn)，就像這樣：

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

if(null == value) {

? value = queryValueFromDB("someKey");

}

那用什么Map呢？HashMap、TreeMap這些都線程不安全，那就用HashTable或者ConcurrentHashMap好了。

不管你用什么樣的Map，它的背后都是key-value的Hash表結(jié)構(gòu)，目的就是為了實現(xiàn)O(1)復(fù)雜度的查找算法，Redis也是這樣實現(xiàn)的，另一個常用的緩存框架Memcached也是。

Hash表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是怎樣的呢？相信很多人都知道，這里簡單畫個圖：

簡單說，Hash表就是一個數(shù)組，而這個數(shù)組的元素，是一個鏈表。

為什么元素是鏈表？理論上，如果我們的數(shù)組可以做成無限大，那么每來一個key，我們都可以把它放到一個新的位置。但是這樣很明顯不可行，數(shù)組越大，占用的內(nèi)存就越大。

所以我們需要限制數(shù)組的大小，假設(shè)是16，那么計算出key的hash值后，對16取模，得出一個0~15的數(shù)，然后放到數(shù)組對應(yīng)的位置上去。

好，現(xiàn)在key1放到index為2的位置，突然又來了一個key9，剛好他也要放到index為2的位置，那咋辦，總不能把人家key1給踢掉吧？所以key1的信息必須存儲在一個鏈表結(jié)構(gòu)里面，這樣key9來了之后，只需要把key1所在的鏈表節(jié)點的next，指向key9的鏈表節(jié)點即可。

這樣就沒問題了嗎？想象一下，如果鏈表越來越長，會有什么問題？

很明顯，鏈表越長，Hash表的查詢、插入、刪除等操作的性能都會下降，極端情況下，如果全部元素都放到了一個鏈表里頭，復(fù)雜度就會降為O(n)，也就和順序查找算法無異了。（正因如此，Java8里頭的HashMap在元素增長到一定程度時會從鏈表轉(zhuǎn)成一顆紅黑樹，來減緩查找性能的下降）

怎么解決？rehash。

關(guān)于rehash，這里就不細(xì)講了，大家可以先了解一下Java HashMap的resize函數(shù)，然后再通過這篇文章：A little internal on redis key value storage implementation 去了解Redis的rehash算法，你會驚訝的發(fā)現(xiàn)Redis里頭居然是兩個HashTable。

好，上面帶大家從一個及其微觀的角度窺視了Redis，下面幾個小節(jié)，再帶大家用宏觀的視角去觀察Redis。

作為Redis用戶，我們要怎樣把數(shù)據(jù)放到上面提到的Hash表里呢？

我們可以通過Redis的命令行，當(dāng)然也可以通過各種語言的Redis API，在代碼里面對Hash表進(jìn)行操作，這些都是Redis客戶端（Client），而Hash表所在的是Redis服務(wù)端（Server），也就是說Redis其實是一個C/S架構(gòu)。

顯然，Client和Server可以是在一臺機(jī)器上的，也可以不在：

如果你想玩一下Redis，又不想自己搭建環(huán)境，可以試一下這一個非常好玩的網(wǎng)頁：Try Redis，你可以按照上面的提示，熟悉Redis的基礎(chǔ)命令，感受一下Redis的C/S模式。

值得一提的是，Redis的Server是單線程服務(wù)器，基于Event-Loop模式來處理Client的請求，這一點和NodeJS很相似。使用單線程的好處包括：

• 不必考慮線程安全問題。很多操作都不必加鎖，既簡化了開發(fā)，又提高了性能；

• 減少線程切換損耗的時間。線程一多，CPU在線程之間切來切去是非常耗時的，單線程服務(wù)器則沒有了這個煩惱；

當(dāng)然，單線程服務(wù)器最大的問題自然是無法充分利用多處理器，不過沒關(guān)系，別忘了現(xiàn)在的機(jī)器很便宜。請繼續(xù)往下看。

好，現(xiàn)在我們已經(jīng)知道了Redis是一個C/S架構(gòu)的框架，那就讓我們開始用Redis來緩存信息，緩解數(shù)據(jù)庫的壓力吧！

我們搭起了這樣一個框架，一臺客戶端，一臺Redis緩存服務(wù)器：

一開始風(fēng)和日麗，系統(tǒng)運行良好。

后來，我們系統(tǒng)中使用Redis的客戶端越來越多，變成了這樣：

這帶來了兩個問題：

• Redis內(nèi)存不足：隨著使用Redis的客戶端越來越多，Redis上的緩存數(shù)據(jù)也越來越大，而一臺機(jī)器的內(nèi)存畢竟是有限的，放不了那么多數(shù)據(jù)；

• Redis吞吐量低：客戶端變多了，可Redis還是只有一臺，而且我們已經(jīng)知道，Redis是單線程的！這就好比我開了一家飯店，一開始每天只有100位客人，我雇一位服務(wù)員就可以，后來生意好了，每天有1000位客人，可我還是只雇一位服務(wù)員。一臺機(jī)器的帶寬和處理器都是有限的，Redis自然會忙不過來，吞吐量已經(jīng)不足以支撐我們越來越龐大的系統(tǒng)。

分析完問題，解決思路也就再清晰不過了——集群。一臺Redis不夠，那就再加多幾臺！

客戶端的請求會通過負(fù)載均衡算法（通常是一致性Hash），分散到各個Redis服務(wù)器上。
通過集群，我們實現(xiàn)了兩個特性：

• 擴(kuò)大緩存容量；

• 提升吞吐量；

解決了上面提到的兩個問題。

好，現(xiàn)在我們已經(jīng)把Redis升級到了集群，真可謂效果杠杠的，可運行了一段時間后，運維又過來反饋了兩個問題：

• 數(shù)據(jù)可用性差：如果其中一臺Redis掛了，那么上面全部的緩存數(shù)據(jù)都會丟失，導(dǎo)致原來可以從緩存中獲取的請求，都去訪問數(shù)據(jù)庫了，數(shù)據(jù)庫壓力陡增。

• 數(shù)據(jù)查詢緩慢：監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，每天有一段時間，Redis 1的訪問量非常高，而且大多數(shù)請求都是去查一個相同的緩存數(shù)據(jù)，導(dǎo)致Redis 1非常忙碌，吞吐量不足以支撐這個高的查詢負(fù)載。

問題分析完，要想解決可用性問題，我們第一個想到的，就是數(shù)據(jù)庫里頭經(jīng)常用到的Master-Slave模式，于是，我們給每一臺Redis都加上了一臺Slave：

通過Master-Slave模式，我們又實現(xiàn)了兩個特性：

• 數(shù)據(jù)高可用：Master負(fù)責(zé)接收客戶端的寫入請求，將數(shù)據(jù)寫到Master后，同步給Slave，實現(xiàn)數(shù)據(jù)備份。一旦Master掛了，可以將Slave提拔為Master；

• 提高查詢效率：一旦Master發(fā)現(xiàn)自己忙不過來了，可以把一些查詢請求，轉(zhuǎn)發(fā)給Slave去處理，也就是Master負(fù)責(zé)讀寫或者只負(fù)責(zé)寫，Slave負(fù)責(zé)讀；

為了讓Master-Slave模式發(fā)揮更大的威力，我們當(dāng)然可以放更多的Slave，就像這樣：

可這樣又引發(fā)了另一個問題，那就是Master進(jìn)行數(shù)據(jù)備份的工作量變大了，Slava每增加一個，Master就要多備份一次，于是又有了Master/slave chains的架構(gòu)：

沒錯，我們讓Slave也有自己的Slave，有點像古代的分封制。

這樣最頂層的Master的備份壓力就沒那么大了，它只需要備份兩次，然后讓那它底下的那兩臺Slave再去和他們的Slave備份。

關(guān)于Master/slave chains，大家可以參考這篇文章?RedisLab Master/slave chains

這篇文章只是帶大家逛一逛Redis的莊園，讓大家從微觀到宏觀，對Redis有一個初步的了解。

事實上，Redis內(nèi)部要處理的問題還有很多：

• 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。文章一開頭提到了，Redis不僅僅是數(shù)據(jù)存儲器，而是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲器。那是因為Redis支持客戶端直接往里面塞各種類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，比如String、List、Set、SortedSet、Map等等。你或許會問，這很了不起嗎？我自己在Java里寫一個HashTable不也可以放各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)？呵呵，要知道你的HashTable只能放Java對象，人家那可是支持多語言的，不管你的客戶端是Java還是Python還是別的，都可以往Redis塞數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這一點也是Redis和Memcached相比，非常不同的一點。當(dāng)然Redis要支持?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲，是以犧牲更多內(nèi)存為代價的，正所謂有利必有弊。關(guān)于Redis里頭的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，大家可以參考：Redis Data Types

• 剔除策略。緩存數(shù)據(jù)總不能無限增長吧，總得剔除掉一些數(shù)據(jù)，好讓新的緩存數(shù)據(jù)放進(jìn)來吧？這就需要LRU算法了，大家可以參考：Redis Lru Cache

• 負(fù)載均衡。用到了集群，就免不了需要用到負(fù)載均衡，用什么負(fù)載均衡算法？在哪里使用負(fù)載均衡？這點大家可以參考：Redis Partitioning

• Presharding。如果一開始只有三臺Redis服務(wù)器，后來發(fā)現(xiàn)需要加多一臺才能滿足業(yè)務(wù)需要，要怎么辦？Redis提供了一種策略，叫：Presharding

• 數(shù)據(jù)持久化。如果我的機(jī)器突然全部斷電了，我的緩存數(shù)據(jù)還能恢復(fù)嗎？Redis說，相信我，可以的，不然我怎么用作數(shù)據(jù)庫？去看看這個：Redis Persistence

• 數(shù)據(jù)同步。這篇文章里提到了主從復(fù)制，那么Redis是怎么進(jìn)行主從復(fù)制的呢？根據(jù)CAP理論，既然我們已經(jīng)選擇了集群，也就是P，分區(qū)容忍性，那么剩下那兩個，Consistency和Availability只能選擇一個了，那么Redis到底是支持最終一致性還是強(qiáng)一致性呢？可以參考：Redis Replication

• ……

官網(wǎng)：

• Redis官網(wǎng)（之所以建議看官網(wǎng)，是因為這是一手的學(xué)習(xí)資料，其他資料都最多只能算二手，一手資料意味著最權(quán)威，準(zhǔn)確性最高）

• Try Redis（如果你懶得裝環(huán)境，這或許是一個不錯的選擇… ）

書籍（可以參考）：

• Redis實戰(zhàn)

• Redis設(shè)計與實現(xiàn)

• Redis開發(fā)與運維

公眾號文章導(dǎo)航：兩年嘔心瀝血的文章！（包含原創(chuàng)Redis文章）

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