Redis 是什么？看这一篇就够了

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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

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：

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：

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：

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：

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：

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

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

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”。

下面我们来简单了解一下 Redis 的进阶知识。

进阶之 Redis 协议简介

Redis 客户端通讯协议：RESP(Redis Serialization Protocol)，其特点是：

• 简单
• 解析速度快
• 可读性好

Redis 集群内部通讯协议：RECP(Redis Cluster Protocol ) ，其特点是：

• 每一个 node 两个 tcp 连接
• 一个负责 client-server 通讯(P: 6379)
• 一个负责 node 之间通讯(P: 10000 + 6379)

Redis 协议支持的数据类型：

• 简单字符(首字节: “+”)

“+OK\r\n”

• 错误(首字节: “-”)

“-error msg\r\n”

• 数字(首字节: “:”)

“:123\r\n”

• 批量字符(首字节: “$”)

“&hello\r\nWhoa re you\r\n”

• 数组(首字节: “*”)

“*0\r\n”

“*-1\r\n”

总结

以上就是 Redis 入门介绍教程，如果各位还想了解更多，欢迎通过评论和私信的方式告诉我。