Redis (1)概述、数据类型、配置文件

Redis(1)概述与基本数据类型

NoSQL数据库

  • 以性能优先的存储,破坏了业务逻辑

  • 解决性能问题(高访问量、高数据量)

    • 解决CPU的负担

      • 使用一个服务器反代理(nginx),分配访问流量,实现负载均衡

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      • 如何保存session?第一次访问时分配给服务器A负责,服务器A保存登录信息到session对象中,第二次访问分配给服务器B负责,但此时B没有session对象,就无法提供服务。解决方案:

        1. 方案一:客户端保存cookie,每次访问时都携带cookie,保证session对象能被各个服务器获得——不安全

        2. 方案二:session复制,服务器A将session发给服务器B——冗余

        3. 方案三:准备一个nossql数据库,A将session对象放到nosql数据库中,B收到访问请求后检查nosql数据库中是否有该session对象(nosql数据库的数据放在内存中,读的速度快)

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    • 解决IO压力:频繁查询的数据放到缓存数据库中

  • 概述:
    • Not Only SQL
    • 不依赖业务逻辑存储,以简单的key-value模式存储
      • 不遵循SQL标准
      • 不支持ACID(原子性、隔离性、一致性、持久性),但支持事务
      • 性能远超SQL
    • 适用场景:
      • 数据高并发的读写(电商秒杀)
      • 海量数据的读写
      • 数据要求高可扩展性
    • 不适用场景:基于sql的结构化查询存储,处理复杂的关系,需要即席查询
    • 常见NoSQL:
      • Memcache:数据在内存中,不支持持久化,只支持key-value模式
      • Redis:覆盖Memcache功能,支持持久化,单线程+多路IO复用,常作为缓存数据库辅助持久化的数据库
      • MongoDB:文档型数据库(存储结构类似于json)
  • 行式存储数据库:将一个表格按行存储

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  • 列式存储数据库:将一个表格按列存储

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    • Hbase(适用于对大量数据做随机、实时的读写操作的场景)
    • Cassandra
  • 图关系型数据库(社会关系、公共交通、地图等)

Redis6概述

  • 概述:
    • 开源的key-value存储系统
    • 支持的value类型:string、list、set、zset(有序集合)、hash,并支持push/pop、add/remove、取交集并集差集操作(均为原子)
    • 数据缓存在内存,但周期地把更新的数据写入磁盘,或把修改操作追加到记录文件
    • 实现master-slave(主从)同步
  • 应用场景:
    • 配合关系型数据库做高速缓存(降低数据库IO、用于分布式架构实现session共享)
    • 多种数据结构存储持久化数据
      • 最新N个数据:list数据按时间排序
      • 排行榜:zset
      • 时效性数据:Expire
      • 计数器、秒杀:原子的自增方法INCR、DECR
      • 订阅消息系统:pub/sub模式
  • Redis安装目录:

    • redis-benchmar:本地性能测试工具
    • redis-check-aof:修复有问题的AOF文件
    • redis-check-dump:修复有问题的dump.rdb文件
    • redis-sentinel:Redis集群
    • redis-server:Redis服务器启动
    • redis-cli:Redis客户端,操作的入口
  • 启动与关闭:

    • 后台启动(windows不支持)

      略,大致过程为,修改redis.conf文件,运行redis-server ./redis.conf;要运行客户端则执行redis-cli,或者redis-cli -p 6379

    • 关闭redis:

      • 运行redis-cli shutdown
      • 关闭指定端口:redis-cli -p 6379 shutdown
    • 默认端口号6379

  • redis默认有16个数据库,从0开始,初始时默认使用0号数据库

    • select <dbid>切换数据库,select 8

    • 所有库的密码相同

    • dbsize查看当前数据库的key的数量

    • flushdb清空当前库

    • flushall清空全部库

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  • 支持单线程+多路IO复用,实现类似多线程+锁的效果

    • 串行操作:一个操作完成后再进行下一个操作
    • 多线程+锁(memcached使用)
    • 单线程+多路IO复用:使用一个线程来检查多个文件描述符(Socket)的就绪状态,如果有一个文件描述符就绪,则返回,否则阻塞直到超时。文件描述符得到就绪状态后,真正的操作可以在同一个线程里执行,也可以启动新的线程执行

Redis数据类型

常见数据类型的操作命令

(以下数据类型为value的数据类型,默认key数据类型为String)

key操作

  • keys *:查看当前库所有key(匹配:keys *1)

  • exists <key>:判断某个key是否存在

  • type <key>:查看key是什么类型

  • del <key>:删除指定的key数据

  • unlink <key>:根据value选择非阻塞删除——仅将key从keyspace中删除,实际数据的删除会在之后异步进行

  • expire <key> 10:为给定的key设置过期时间为10s

  • ttl <key>:查看key还有多少秒过期,-1表示永不过期,-2表示已过期

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    127.0.0.1:6379> set k1 lucy
    OK
    127.0.0.1:6379> set k2 mary
    OK
    127.0.0.1:6379> set k3 jack
    OK
    127.0.0.1:6379> keys *
    1) "k2"
    2) "k3"
    3) "k1"
    127.0.0.1:6379> exists k1
    (integer) 1
    127.0.0.1:6379> exists k4
    (integer) 0
    127.0.0.1:6379> type k2
    string
    127.0.0.1:6379> del k3
    (integer) 1
    127.0.0.1:6379> keys *
    1) "k2"
    2) "k1"
    127.0.0.1:6379>expire k1 10
    (integer) 1
    127.0.0.1:6379> ttl k1
    (integer) 4
    127.0.0.1:6379> ttl k1
    (integer) -2
    127.0.0.1:6379> get k1
    (nil)

String

  • 二进制安全——Redis的string可以包含任何数据,如jpg图片、序列化的对象

  • 字符串value最大为512M

  • 常用命令

    • 取值:

      • set <key> <value>

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        • NX:key不存在时,将key-value添加数据库
        • XX:key存在时,将key-value添加数据库,与NX参数互斥
        • EX:key超时秒数
        • PX:key超时毫秒数,与EX互斥
      • get <key>:查询value

    • append <key> <value>:将value追加到原值末尾,返回总的value长度(仍然为上面的例子)

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      127.0.0.1:6379> append k2 123
      (integer) 7
      127.0.0.1:6379> get k2
      "mary123"
    • strlen <key>:获得值的长度

    • setnx <key> <value>:在key不存在时设置key的值,如果返回0,表明设置失败

    • 增减:

      • incr <key>:将key对应的数字值增1(只对数字值操作,如果为空,结果为1),原子
        • 原子:不被线程调度机制打断,这种操作一旦开始,就一直运行到结束,中间不会有任何 context switch(切换到另一个线程)
        • Redis单命令的原子性来源于Redis的单线程
      • decr <key>:将key对应的数字值减1(只对数字值操作,如果为空,结果为-1),原子
      • incrby / decrby <key> <步长>:增减key对应的数字值,自定义增减的量
    • 取多个值:

      • mset <key1> <value1> <key2> <value2> .....:同时设置一个或多个key-value
      • mget <key1> <key2> <key3> .....:同时获取一个或多个value
      • msetnx <key1> <value1> <key2> <value2> .....:同时设置一个或多个key-value,当且仅当所有给定key不存在——原子性,有一个失败则都失败
    • getrange <key> <起始位置> <结束位置>:获得值的范围,前闭、后闭
    • setrange <key> <起始位置> <value>:用value 覆写key所储存的字符串值,从起始位置开始(索引从0开始)
    • setex <key> <过期时间> <value>:设置键值的同时,设置过期时间,单位秒
    • getset <key> <value>:设置新value,同时获得旧value

  • 数据结构:
    • String数据结构为简单动态字符串(Simple Dynamic Strin,SDS)
    • 内部结构实现类似于Java的ArrayList,预分配冗余空间,以减少内存的频繁分配(capacity通常高于实际的字符串长度len),扩容时对现有的空间加倍,但如果超过1M,扩容时一次只多扩1M

List

  • 字符串列表,按照插入顺序排序,可以添加元素到列表头部或尾部

  • 常用命令:

    • lpush/rpush <key> <value1> <value2> <value3> ....:从左边/右边push一个或多个值——如果为lpush,则列表中元素顺序为:value3、value2、value1

    • lpop/rpop <key>:从左边/右边pop出一个值,如果列表为空,则key被删除

    • rpoplpush <key1> <key2>:列表key1右边pop出一个值,push到列表key2左边

    • lrange <key> <start> <stop>:按照索引下标获得元素(从左到右)——lrange mylist 0 -1,获得所有元素

    • lindex <key> <index>:获得索引index的元素

    • llen <key>:获得列表长度

    • linsert <key> before/after <value> <newvalue>:在value的前/后面插入newvalue

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      127.0.0.1:6379> rpush a 10 20 30 lucy mary jack
      (integer) 6
      127.0.0.1:6379> lrange a 0 -1
      1) "10"
      2) "20"
      3) "30"
      4) "lucy"
      5) "mary"
      6) "jack"
      127.0.0.1:6379> linsert a BEFORE lucy 40
      (integer) 7
      127.0.0.1:6379> lrange a 0 -1
      1) "10"
      2) "20"
      3) "30"
      4) "40"
      5) "lucy"
      6) "mary"
      7) "jack"
    • lrem <key> <n> <value>:从左边删除n个value

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      127.0.0.1:6379> rpush b 10 10 10 lucy mary jack
      (integer) 6
      127.0.0.1:6379> lrem b 2 10
      (integer) 2
      127.0.0.1:6379> lrange b 0 -1
      1) "10"
      2) "lucy"
      3) "mary"
      4) "jack"
    • lset <key> <index> <value>:将列表key下标为index的值替换成value(从0老开始)

  • 数据结构:双向链表,端的操作性能高,索引下标操作中间节点性能较低

    • 数据结构为快速链表(quickList)

    • 列表元素较少时,使用一块连续的内存(压缩列表,ziplist)存储,所有元素紧挨;链表和ziplist结合起来组成quickList

    • 普通的链表需要的附加指针空间太大,会浪费空间。这样的组合满足了快速的插入删除性能,并且不会出现太多的空间冗余

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Set

  • 无重复元素,字符串的无序集合,添加、删除、查找的复杂度为O(1)

  • 常用命令:

    • sadd <key> <value1> <value2> .....:将一个或多个元素加入集合key,已有的元素被忽略

    • smembers <key>:获得该集合的所有值

    • sismember <key> <value>:判断集合key是否含有value,有则返回1,没有则返回0

    • scard <key>:返回集合的元素个数

    • srem <key> <value1> <value2> ....:删除集合的元素

    • spop <key>:该集合随机pop一个值,如果集合为空,则该集合被删除

    • srandmember <key> <n>:随机从该集合取出n个值(不从集合删除 )

    • smove <source> <destination> <value>:把集合source中的value,移动到集合destination

    • sinter <key1> <key2>:返回两个集合的交集元素

    • sunion <key1> <key2>:返回两个集合的并集元素

    • sdiff <key1> <key2>:返回两个集合的差集元素(key1中有,key2中没有)

  • 数据结构:底层是一个value为null的hash表(value都指向同一个内部对象,类似java中的HashSet)

Hash

  • hash是一个string类型的field和value的映射表,类似Java的Map<String, Object>(可以认为key是变量名,保存一个dict)

  • 例如,用户ID为key,field为用户的属性,value为属性值

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  • 常用命令:

    • hset <key> <field> <value>:给key的field键赋值value

    • hget <key1> <field>:从key中的field取出 value

    • hmset <key1> <field1> <value1> <field2> <value2>...:批量设置field-value

    • hexists <key1> <field>:查看key中,给定field是否存在

    • hkeys <key>:列出key的所有field

    • hvals <key>:列出key的所有value

    • hincrby <key> <field> <increment>:key中field的值增加increment

    • hsetnx <key> <field> <value>:key中的field设置为value,当且仅当field不存在

  • 数据结构

    • 两种数据结构:ziplist(压缩列表)、hashtable(哈希表)
    • field-value长度较短且个数较少时,使用ziplist,否则使用hashtable

ZSet

  • zset与set相似,是没有重复元素的字符串集合,但每个元素都关联了一个评分score,score用于升序排列集合中的成员——可以使用zset作为一个没有重复成员的智能list

  • 常用命令:

    • zadd <key> <score1> <value1> <score2> <value2>…:将一个或多个元素及其score加入zset key

    • zrange <key> <start> <stop> [WITHSCORES]:返回zset key中,下标在start和stop之间的元素。带WITHSCORES,分数同时返回

    • zrangebyscore key minmax [withscores] [limit offset count]:返回key中,score在min和max 之间(包括min、max)的value,按score递增排列

    • zrevrangebyscore key maxmin [withscores] [limit offset count]:同上,递减排列

    • zincrby <key> <increment> <value> :为value的score加上增量

    • zrem <key> <value>:删除该集合下的指定value

    • zcount <key> <min> <max>:统计该集合,区间[min, max]内的value个数

    • zrank <key> <value>:返回value在集合中的排名,从0开始

  • 数据结构:

    • 类似于Java的Map<String, Double>和TreeSet

    • 底层使用两个数据结构:

      • hash:关联value和score,保证value唯一,通过value找相应score

      • 跳跃表:给value排序,并根据score的范围获取元素列表

        image-20220723151841492

        • 查找值为51的元素,从第2层开始,1比51小,向后比较,21比51小,继续向后比较,后面是NULL,因此从节点21向下到第1层
        • 第1层,41比51小,继续向后,61比51大,因此从41向下到第0层
        • 第0层,51节点为要查找的节点。共查找4次

Redis6的新数据类型

Bitmaps

  • 操作位(bit),本身不是一种数据类型(其实就是字符串类型的value),但可以对字符串的位进行操作——以位为单位的数组,元素为0和1,下标为offset

  • 下图为字符串abc对应的位数组

    image-20220723164140817

  • 常用命令:

    • setbit:setbit <key> <offset> <value>:设置bitmaps中某个offset的值(0或1)
    • getbit:getbit <key> <offset>:获取Bitmaps中某个偏移量的值(从0开始)
    • bitcount:bitcount <key> [start end]:统计字符串从start字节到end字节中(包含start和end),bit为1的数量。-1表示最后一位,-2表示倒数第二位
    • bitop:bitop and(or/not/xor) <destkey> [key…]:做多个Bitmaps的and 、or 、not 、xor操作,结果保存在destkey
  • 一个应用:

    image-20220723165304621

    • 用bitmaps记录网站某天访问过的独立用户(假设注册用户有20个,如果用户访问过,则相应用户id作为下标,设置为1)

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      127.0.0.1:6379> setbit user:0723 1 1
      (integer) 0
      127.0.0.1:6379> setbit user:0723 6 1
      (integer) 0
      127.0.0.1:6379> setbit user:0723 11 1
      (integer) 0
      127.0.0.1:6379> setbit user:0723 15 1
      (integer) 0
      127.0.0.1:6379> setbit user:0723 19 1
      (integer) 0
    • 第1字节到第3字节的访问用户数(11,15,19)

      1
      2
      127.0.0.1:6379> bitcount user:0723 1 3
      (integer) 3
    • 再次记录一天的用户访问,计算任意一天都访问过的用户数目

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      127.0.0.1:6379> setbit user:0724 1 1
      (integer) 0
      127.0.0.1:6379> setbit user:0724 6 1
      (integer) 0
      127.0.0.1:6379> setbit user:0724 9 1
      127.0.0.1:6379> bitop or user:0723-0724 user:0723 user:0724(integer) 3
      127.0.0.1:6379> bitcount user:0723-0724
      (integer) 6

HyperLogLog

  • 求集合中不重复元素个数的问题,称基数问题

  • HyperLogLog用于做基数统计,在输入元素的数量或者体积非常大时,计算基数所需的空间总是固定的、很小的——每个HyperLogLog键只需要花费12 KB内存,就可以计算接近\(2^{64}\)个不同元素的基数

  • HyperLogLog只根据输入元素计算基数,不储存输入元素本身,无法返回输入的元素

  • 常用命令:

    • pfadd <key> <element> [element ...]:添加element到HyperLogLog key中,如果执行后HLL估计的近似基数发生变化,返回1,否则返回0

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      127.0.0.1:6379> pfadd a "redis" "hadoop"
      (integer) 1
      127.0.0.1:6379> pfadd a "redis"
      (integer) 0
    • pfcount <key> [key ...]:计算HLL(多个)的近似基数,如果为多个,则返回它们的”和“

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      127.0.0.1:6379> pfadd b "redis"
      (integer) 1
      127.0.0.1:6379> pfcount a b
      (integer) 2
      127.0.0.1:6379> pfadd c "cur"
      (integer) 1
      127.0.0.1:6379> pfcount a b c
      (integer) 3
    • pfmerge <destkey> <sourcekey> [sourcekey ...] :一个或多个HLL合并后的结果存储在另一个HLL中

Geospatial

  • 该类型是元素的2维坐标(地图上就是经纬度)
  • 提供经纬度设置和查询、范围查询、距离查询、经纬度Hash等操作
  • 常用命令:
    • geoadd <key> <longitude> <latitude> <member> [longitude latitude member...] :添加地理位置(经度,纬度,名称)——有效的经度为-180度到180度,有效的纬度为-85.05112878度到85.05112878度,超出指定范围时,返回一个错误;已经添加的数据无法再次添加
    • geopos <key> <member> [member...]:获得member的坐标值
    • geodist <key> <member1> <member2> [m|km|ft|mi]:获取两个位置之间的直线距离,单位:m为米(默认),km为千米,mi为英里,ft为英尺
    • georadius <key> <longitude> <latitude> radius m|km|ft|mi :以给定经纬度为中心,输出某一半径内的元素

配置文件redis.conf

Units(单位)

  • 文件开头定义了一些基本的单位换算,支持bytes,不支持bit

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    # Note on units: when memory size is needed, it is possible to specify
    # it in the usual form of 1k 5GB 4M and so forth:
    #
    # 1k => 1000 bytes
    # 1kb => 1024 bytes
    # 1m => 1000000 bytes
    # 1mb => 1024*1024 bytes
    # 1g => 1000000000 bytes
    # 1gb => 1024*1024*1024 bytes
    #
    # units are case insensitive so 1GB 1Gb 1gB are all the same.

INCLUDES(包含)

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# Include one or more other config files here.  This is useful if you
# have a standard template that goes to all Redis servers but also need
# to customize a few per-server settings. Include files can include
# other files, so use this wisely.
#
# Notice option "include" won't be rewritten by command "CONFIG REWRITE"
# from admin or Redis Sentinel. Since Redis always uses the last processed
# line as value of a configuration directive, you'd better put includes
# at the beginning of this file to avoid overwriting config change at runtime.
#
# If instead you are interested in using includes to override configuration
# options, it is better to use include as the last line.
#
# include .\path\to\local.conf
# include c:\path\to\other.conf
  • 多实例的情况,把公用的配置文件提取出来,作为include的内容

网络相关配置

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bind 127.0.0.1

# Protected mode is a layer of security protection, in order to avoid that
# Redis instances left open on the internet are accessed and exploited.
#
# When protected mode is on and if:
#
# 1) The server is not binding explicitly to a set of addresses using the
# "bind" directive.
# 2) No password is configured.
#
# The server only accepts connections from clients connecting from the
# IPv4 and IPv6 loopback addresses 127.0.0.1 and ::1, and from Unix domain
# sockets.
#
# By default protected mode is enabled. You should disable it only if
# you are sure you want clients from other hosts to connect to Redis
# even if no authentication is configured, nor a specific set of interfaces
# are explicitly listed using the "bind" directive.
protected-mode yes

# Accept connections on the specified port, default is 6379 (IANA #815344).
# If port 0 is specified Redis will not listen on a TCP socket.
port 6379

# TCP listen() backlog.
#
# In high requests-per-second environments you need an high backlog in order
# to avoid slow clients connections issues. Note that the Linux kernel
# will silently truncate it to the value of /proc/sys/net/core/somaxconn so
# make sure to raise both the value of somaxconn and tcp_max_syn_backlog
# in order to get the desired effect.
tcp-backlog 511

# Close the connection after a client is idle for N seconds (0 to disable)
timeout 0

# TCP keepalive.
#
# If non-zero, use SO_KEEPALIVE to send TCP ACKs to clients in absence
# of communication. This is useful for two reasons:
#
# 1) Detect dead peers.
# 2) Take the connection alive from the point of view of network
# equipment in the middle.
#
# On Linux, the specified value (in seconds) is the period used to send ACKs.
# Note that to close the connection the double of the time is needed.
# On other kernels the period depends on the kernel configuration.
#
# A reasonable value for this option is 300 seconds, which is the new
# Redis default starting with Redis 3.2.1.
tcp-keepalive 300

bind

  • 默认情况bind=127.0.0.1,只接受本机的访问请求
  • 不写的情况下,无限制接受任何ip地址的访问
  • 生产环境中为应用服务器的地址
  • 开启protected-mode,则没有设定bind ip且没有设密码的情况下,只接受本机的响应

protected-mode

  • 为yes时,只能本机访问

port

  • 端口号,默认6379

tcp-backlog

  • 设置tcp的backlog
  • backlog是一个连接队列,队列长度总和=未完成三次握手队列 + 已经完成三次握手队列
  • 高并发环境下需要一个高backlog值,避免慢客户端连接问题
  • Linux内核会将该值减小到/proc/sys/net/core/somaxconn(128),需要确认增大/proc/sys/net/core/somaxconn/proc/sys/net/ipv4/tcp_max_syn_backlog(128)

timeout

  • 空闲的客户端维持多少秒会关闭,0表示关闭该功能,永不关闭

tcp-keepalive

  • 对访问客户端的心跳检测,每n秒检测一次,如果没有alive则server释放连接,如果为0,则不进行Keepalive检测

GENERAL(通用)

daemonize

  • 是否后台启动(类似于nohup &

pidfile

  • 存放pid文件的位置,默认会把pid(进程号)写入/var/run/redis.pid文件

loglevel

  • 指定日志记录级别
  • 支持四个级别:debug、verbose、notice、warning,默认为notice
  • 生产环境选择notice或warning

logfile

  • 日志文件名称

databases

  • 库的数量

SECURITY(安全)

  • 设置密码requirepass 123456

  • 可以命令行中设置密码,但如果重启redis,密码会被还原

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    config get requirepass
    config set requirepass "123456"
    auth 123456

LIMITS(限制)

maxclients

  • redis同时可以与多少个客户端进行连接,默认为10000
  • 达到限制,会拒绝新的连接请求,返回“max number of clients reached”

maxmemory

  • redis可以使用的内存量,到达使用上限后会根据maxmemory-policy尝试移除数据
  • 如果无法移除,或者设置“不允许移除”,redis则对需要申请内存的指令返回错误信息,但仍然正常响应不申请内存的指令,如GET
  • 如果redis是主redis,设置内存使用上限时需要留出内存空间给同步队列缓存

maxmemory-policy

  • volatile-lru:对过期的key使用LRU算法移除(最近最少使用)

  • allkeys-lru:对所有的key使用LRU算法移除

  • volatile-random:移除随机的过期key

  • allkeys-random:移除随机的key

  • volatile-ttl:移除TTL值最小的key,即最近要过期的key

  • noeviction:不进行移除

maxmemory-samples

  • 设置样本数量,redis默认会检查这么多个key并选择其中LRU的那个删除
  • 一般设置3到7,数值越小越不准确,但性能消耗越小

发布和订阅

  • 一种消息通信方式,pub(发送者)发送消息,sub(订阅者)接收消息

  • 客户端订阅频道(channel)

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  • 向频道发布消息后,消息发给订阅的客户端(如果客户端订阅了channel2,但消息只向channel1发布,则客户端无法收到该消息)

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  • 命令行实现(客户端A和客户端B):A订阅ch1,B通过ch1发布hello

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