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认识

2024年04月08日
柏拉文
越努力，越幸运

一、认识​

Redis（Remote Dictionary Server） 是一个开源（遵循 BSD 许可）的高性能 键值数据库 key-value, 也是一个非关系 NoSQL 数据库。它支持存储的 value 类型相对更多，包括 string(字符串)、list(链表)、set(集合)、zset(sorted set --有序集合) 和 hash（哈希类型）。Redis的操作是原子性的。Redis 可以用作缓存、消息队列、实时数据分析等多种场景。

Redis 为什么巨快？

  1. Redis 将数据存储在 内存（RAM） 中，而不是像传统数据库那样依赖磁盘。因此，读取和写入操作非常快速，通常可以达到 微秒级 延迟,每秒可以处理超过 10万次读写操作，是已知性能最快的Key-Value DB。即便 Redis 主要使用内存，它也可以通过 RDB（快照）, 以快照方式定期保存到磁盘，影响性能小。 或 AOF（追加日志）, 记录每个写操作，启动时可恢复数据，影响性能略高 机制来实现持久化，确保数据不会因服务器宕机而丢失。

  2. Redis 提供了一系列高度优化的底层数据结构，这些结构在内存中占用空间少，并能快速执行各种操作，比如 字符串（String）： 采用 SDS（Simple Dynamic String）结构，支持 O(1) 读取; 列表（List）： 由快速的链表或压缩列表实现，提供 O(1) 头尾插入删除; 哈希（Hash）： 小数据时使用紧凑表，大数据时用哈希表，提供 O(1) 查找; 集合（Set）： 基于哈希表，支持快速查找和去重; 有序集合（Sorted Set）： 使用跳表（Skip List），提供 O(log N) 插入和查找, Redis 会根据数据大小自动选择适合的内部编码（如 ziplist、hashtable），以平衡时间和空间效率。

  3. Redis 使用单线程处理客户端请求，避免了多线程带来的 锁竞争、线程切换、上下文切换 等开销, 由于 Redis 在内存中操作，CPU 往往不是性能瓶颈，瓶颈更多在于 网络 I/O 或 内存带宽, 单线程模型减少了不必要的 CPU 竞争，提高了吞吐量。在 Redis 6.0 之后，引入了 多线程 I/O 处理机制，用于并发处理网络请求，提高网络吞吐。（提示: Redis 单线程，意味着要考虑是否会阻塞后续命令的执行）

  4. 零拷贝（Zero-Copy）技术: Redis 使用了底层操作系统的 sendfile 和 mmap 技术，减少数据在 用户态 和 内核态 之间的拷贝次数，提高网络响应速度。例如，当执行 GET 或 SET 操作时，Redis 可以直接将数据从内存发送到网络套接字，避免额外的 CPU 开销。

  5. 管道（Pipelining）减少 RTT: Redis 提供了管道技术，允许客户端在一次网络请求中批量发送多个命令，而无需等待前一个命令的响应，减少了网络往返延迟（RTT），提高吞吐量。

  6. 高效的事件驱动机制: Redis 使用基于 epoll/kqueue（在 Linux/Unix 上）等高效的 事件驱动模型，实现高并发处理。事件循环采用 I/O 多路复用（如 epoll），可以同时监听多个客户端连接，提高吞吐量。这种设计使得 Redis 能够高效地处理成千上万的并发连接。

  7. 高效的内存管理: Redis 使用自己的 内存分配器 jemalloc，比系统默认 malloc 更快，减少内存碎片，提高分配效率。jemalloc 提供了更好的内存分配效率，降低 Redis 运行时的内存开销。

二、特性​

2.1 高性能​

Redis 是基于内存运行的数据库，数据的读写速度极快：

  • 每秒可以处理数百万次操作。

  • 数据操作延迟通常在毫秒级甚至亚毫秒级。

2.2 持久化​

Redis 提供多种持久化机制，用于数据的长久保存: Redis 将所有数据保存在内存中，对数据的更新将异步的保存到磁盘上。支持 RDB（快照） 和 AOF（增量日志） 两种持久化方式，可以将内存中的数据持久化到磁盘。

  • RDB（Redis Database Backup） 快照：定期生成数据快照。以快照方式定期保存到磁盘，影响性能小。

  • AOF（Append-Only File） 增量日志：将每次写操作记录到日志文件中，支持数据重放。以快照方式定期保存到磁盘，影响性能小。

  • 可以结合使用 RDB 和 AOF 以提高数据安全性。

2.3 高可用性​

通过 主从复制（Replication）、哨兵（Sentinel） 和 Redis 集群（Cluster） 等功能实现高可用和分布式架构。

  • 主从复制：通过复制功能（Replication），支持数据从主节点同步到从节点，实现数据冗余，读写分离。

  • 哨兵模式（Sentinel）：监控 Redis 主节点状态并在故障时自动故障转移。

  • Redis 集群（Cluster）：实现数据分片和高可用，支持大规模分布式架构。

2.4 事务支持​

Redis 支持简单的事务操作，保证一组命令的原子性执行。

2.5 发布订阅​

Redis 提供发布/订阅模式，允许客户端通过频道发布消息并订阅特定的频道：可用于实时消息推送、聊天系统等场景。

2.6 内存管理​

  • LRU（Least Recently Used）：支持多种淘汰策略（如 LRU、LFU）。

  • 内存分配优化：支持针对内存分配的精细化控制。

  • 内存压缩：对数据进行压缩以节省存储空间。

2.7 多种数据结构​

Redis 提供了多种数据结构，可以灵活地满足各种场景需求：

  • 字符串（String）：存储简单的键值对，支持字符串操作和整数、自增/自减操作。

  • 哈希（Hash）：适合存储对象，如用户信息。

  • 列表（List）：适用于队列、消息队列等场景。

  • 集合（Set）：用于去重、交集、并集等操作。

  • 有序集合（Sorted Set）：可存储带排序的数据，常用于排行榜。

  • 位图（Bitmap）：处理位操作。

  • HyperLogLog：用于基数统计。超小内存的唯一值计数。

  • 地理空间（Geo）：支持地理位置存储和查询。

2.8 Lua 脚本支持​

  • Redis 可以运行 Lua 脚本，提供更强的扩展能力。

  • 脚本在服务器端一次性执行，减少网络往返，提高性能。