数据库缓存服务--Redis配置与优化

中强要加油了
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1.缓存概念

缓存是为了调节速度不一致的两个或多个不同的物质的速度，在中间对速度较慢的一方起到加速作用，比如CPU的一级、二级缓存是保存了CPU最近经常访问的数据，内存是保存CPU经常访问硬盘的数据，而且硬盘也有大小不一的缓存，甚至是物理服务器的raid 卡有也缓存，都是为了起到加速CPU 访问硬盘数据的目的，因为CPU的速度太快了，CPU需要的数据由于硬盘往往不能在短时间内满足CPU的需求，因此CPU缓存、内存、Raid 卡缓存以及硬盘缓存就在一定程度上满足了CPU的数据需求，即CPU 从缓存读取数据可以大幅提高CPU的工作效率。

1.1 系统缓存

buffer与cache：

  • buffer： 缓冲也叫写缓冲，一般用于写操作，可以将数据先写入内存再写入磁盘，buffer 一般用于写缓冲，用于解决不同介质的速度不一致的缓冲，先将数据临时写入到里自己最近的地方，以提高写入速度，CPU会把数据先写到内存的磁盘缓冲区，然后就认为数据已经写入完成看，然后由内核在后续的时间在写入磁盘，所以服务器突然断电会丢失内存中的部分数据。

  • cache： 缓存也叫读缓存，一般用于读操作，CPU读文件从内存读，如果内存没有就先从硬盘读到内存再读到CPU，将需要频繁读取的数据放在里自己最近的缓存区域，下次读取的时候即可快速读取。

1.2缓存保存位置及分层结构

互联网应用领域，提到缓存为王。

  • 用户层：浏览器DNS缓存,应用程序DNS缓存,操作系统DNS缓存客户端

  • 代理层：CDN,反向代理缓存

  • Web层：Web服务器缓存

  • 应用层：页面静态化

  • 数据层：分布式缓存,数据库

  • 系统层：操作系统cache

  • 物理层：磁盘cache, Raid Cache

DNS缓存：

浏览器的DNS缓存默认为60秒，即60秒之内在访问同一个域名就不再进行DNS解析。

应用层缓存

Nginx、PHP等web服务可以设置应用缓存以加速响应用户请求，另外有些解释性语言，比如：PHP/Python/Java不能直接运行，需要先编译成字节码，但字节码需要解释器解释为机器码之后才能执行，因此字节码也是一种缓存，有时候还会出现程序代码上线后字节码没有更新的现象。所以一般上线新版前,需要先将应用缓存清理,再上线新版。

另外可以利用动态页面静态化技术,加速访问,比如:将访问数据库的数据的动态页面,提前用程序生成静态页面文件html 电商网站的商品介绍,评论信息非实时数据等皆可利用此技术实现。

数据层缓存

分布式缓存服务：

  • Redis
  • Memcached

数据库：

  • MySQL 查询缓存
  • innodb缓存、MYISAM缓存

硬件缓存

  • CPU缓存（L1的数据缓存和L1的指令缓存）、二级缓存、三级缓存
  • 磁盘缓存：Disk Cache
  • 磁盘阵列缓存：Raid Cache，可使用电池防止断电丢失数据

2.关系型数据库与非关系型数据库

2.1 关系型数据库与非关系型数据库的区别：

（1）数据存储方式不同

关系型和非关系型数据库的主要差异是数据存储的方式。

  • 关系型数据天然就是表格式的，因此存储在数据表的行和列中。数据表可以彼此关联协作存储，也很容易提取数据。
  • 与其相反，非关系型数据不适合存储在数据表的行和列中，而是大块组合在一起。非关系型数据通常存储在数据集中，就像文档、键值对或者图结构。你的数据及其特性是选择数据存储和提取方式的首要影响因素。（很容易切换数据类型，一个数据集当中有多种数据类型）

（2）扩展方式不同

SQL和NoSQL数据库最大的差别可能是在扩展方式上，要支持日益增长的需求当然要扩展。

  • 要支持更多并发量，SQL数据库是纵向扩展，也就是说提高处理能力，使用速度更快速的计算机，这样处理相同的数据集就更快了。因为数据存储在关系表中，操作的性能瓶颈可能涉及很多个表，这都需要通过提高计算机性能来克服。虽然SQI数据库有很大打展空间，但最终肯定会达到纵向扩展的上限。（数据一般存储在本地的文件系统中。读可以通过读写分离、负载均衡来分摊性能，但读写仍然很消耗IO性能）
  • 而NoSQL数据库是横向扩展的。因为非关系型数据存储天然就是分布式的，NoSQL数据库的扩展可以通过给资源池添加更多普通的数据库服务器(节点)来分担负载。（数据分布存储在不同服务器上，可以并发地读写，加快效率）

小贴士：

  • 横向扩展：加服务器。（比较便宜）
  • 纵向扩展：提高硬件配置，比如换更高性能的CPU、加CPU核数、硬盘、磁盘IO、内存条。（除硬盘外，其他需要停机才能加）

（3）对事务性的支持不同

  • 如果数据操作需要高事务性或者复杂数据查询需要控制执行计划，那么传统的SQL数据库从性能和稳定性方面考虑是你的最佳选择。SQL数据库支持对事务原子性细粒度控制，并且易于回滚事务。
  • 虽然NoSQL数据库也可以使用事务操作，但稳定性方面没法和关系型数据库比较，所以它们真正闪亮的价值是在操作的扩展性和大数据量处理方面。
  • 非关系型数据库在事务的处理和稳定性方面，不如关系型数据库。但读写性能好、易于扩展，处理大数据方面占优势。

关系型数据库：特别适合高事务性要求和需要控制执行计划的任务，事务细粒度控制更好。

非关系型数据库：事务控制会稍显弱势，其价值点在于高扩展性和大数据量处理方面。

2.2 非关系型数据库生成背景

可用于应对Web2.0纯动态网站类型的三高问题。

（1）High performance —— 对数据库高并发读写需求。

（2）Hugestorage——对海量数据高效存储与访问需求。

（3）HighScalability&&HighAvailability——对数据库高可扩展性与高可用性需求。

关系型数据库和非关系型数据库都有各自的特点与应用场景，两者的紧密结合将会给web2.0的数据库发展带来新的思路。让关系型数据库关注在关系上和对数据的一致性保障，非关系型数据库关注在存储和高效率上。例如，在读写分离的MySQI数据库环境中，可以把经常访问的数据（即高热数据）存储在非关系型数据库中，提升访问速度。

3. Redis简介

Redis (远程字典服务器)是一个 开源的、使用C语言编写的NoSQL 数据库。

Redis 基于内存运行并支持持久化，采用key-value (键值对)的存储形式，是目前分布式架构中不可或缺的一环。

Redis服务器程序是单进程模型，也就是在一台服务器上可以同时启动多个Redis进程，Redis的实际处理速度则是完全依靠于主进程的执行效率。

  • 若在服务器上只运行一个Redis进程，当多个客户端同时访问时，服务器的处理能力是会有一定程度的下降；
  • 若在同一台服务器上开启多个Redis进程，Redis在提高并发处理能力的同时会给服务器的CPU造成很大压力。

即：在实际生产环境中，需要根据实际的需求来决定开启多少个Redis进程。若对高并发要求更高一些，可能会考虑在同一台服务器上开启多个进程。若CPU资源比较紧张，采用单进程即可。

3.1 Redis 具有的以下几个优点

（1）具有极高的数据读写速度： 数据读取的速度最高可达到110000 次/s，数据写入速度最高可达到81000次/s。

（2）支持的数据结构： key-value，支持丰富的数据类型：Strings、 Lists、Hashes、 Sets 及Sorted Sets 等数据类型操作。

  • Strings 字符串型
  • Lists 列表型
  • Hashes 哈希（散列）
  • Sets 无序集合
  • Sorted Sets 有序集合（或称zsets）

（redis也可以做消息队列，可以通过Sorted Sets实现）

（3）支持数据的持久化： 可以将内存中的数据保存在磁盘中，重启的时候可以再次加载进行使用。

（4）原子性： Redis所有操作都是原子性的。（支持事务，所有操作都作为事务）

（5）支持数据备份： 即 master-salve 模式的数据备份。（支持主从复制）

3.2 Redis缺点

  1. 缓存和数据库双写一致性问题
  2. 缓存雪崩问题
  3. 缓存击穿问题
  4. 缓存的并发竞争问题

3.3 Redis的使用场景

  • Redis作为基于内存运行的数据库，是一个高性能的缓存，一般应用在session缓存、 队列、排行榜、计数器、最近最热文章、最近最热评论、发布订阅等。

  • Redis适用于数据实时性要求高、数据存储有过期和淘汰特征的、不需要持久化或者只需要保证弱一致性、逻辑简单的场景。

3.4 Redis为什么这么快

  • Redis是一款纯内存结构，避免了磁盘 I/O 等耗时操作。（基于内存运行）

  • Redis命令处理的核心模块为单线程，减少了锁竞争，以及频繁创建线程和销毁线程的代价，减少了线程上下文切换的消耗。（单线程模型）

  • 采用了 I/O 多路复用机制，大大提升了并发效率。（epoll模式）

3.5 Redis与memcache比较

MemcachedRedis
类型Key-value数据库Key-value数据库
过期策略支持支持
数据类型单一数据类型五大数据类型
持久化不支持支持
主从复制不支持支持
虚拟内存不支持支持

4.Redis安装部署

1.修改内核参数

vim /etc/sysctl.conf
vm.overcommit_memory = 1
net.core.somaxconn = 2048

sysctl -p

image.png

2.安装redis前先yum安装依赖包

yum install -y gcc gcc-c++ make

image.png

3.解压我们的安装包

tar zxvf /opt/redis-7.0.9.tar.gz -C /opt/
cd /opt/redis-7.0.9
make
make PREFIX=/usr/local/redis install
#由于Redis源码包中直接提供了 Makefile 文件，所以在解压完软件包后，不用先执行 ./configure 进行配置，可直接执行 make 与 make install 命令进行安装。

image.png

image.png

3.创建redis工作目录

mkdir /usr/local/redis/{conf,log,data}

image.png

4.将我们源码包中的配置文件移动到我们刚创建的conf下

cp /opt/redis-7.0.9/redis.conf /usr/local/redis/conf/

image.png

  1. 创建redis用户专门管理软件
useradd -M -s /sbin/nologin redis
chown -R redis.redis /usr/local/redis/

image.png

6.设置环境变量

vim /etc/profile 
PATH=$PATH:/usr/local/redis/bin		#增加一行

source /etc/profile

image.png

image.png

7.修改配置文件

vim /usr/local/redis/conf/redis.conf

bind 127.0.0.1 192.168.80.10					
#87行，添加 监听的主机地址

protected-mode no					
#111行，将本机访问保护模式设置no。如果开启了，那么在没有设定bind ip且没有设密码的情况下，Redis只允许接受本机的响应

port 6379								#138行，Redis默认的监听6379端口

daemonize yes								#309行，设置为守护进程，后台启动

pidfile /usr/local/redis/log/redis_6379.pid	
#341行，指定 PID 文件

logfile "/usr/local/redis/log/redis_6379.log"
#354行，指定日志文件

dir /usr/local/redis/data						#504行，指定持久化文件所在目录

requirepass abc123							#1037行，增加一行，设置redis密码

image.png

image.png

8.定义systemd服务管理脚本

vim /usr/lib/systemd/system/redis-server.service
[Unit]
Description=Redis Server
After=network.target

[Service]
User=redis
Group=redis
Type=forking
TimeoutSec=0
PIDFile=/usr/local/redis/log/redis_6379.pid
ExecStart=/usr/local/redis/bin/redis-server /usr/local/redis/conf/redis.conf
ExecReload=/bin/kill -s HUP $MAINPID
ExecStop=/bin/kill -s QUIT $MAINPID
PrivateTmp=true

[Install]
WantedBy=multi-user.target

#启动服务
systemctl start redis-server
systemctl enable redis-server

netstat -lntp | grep 6379

image.png

image.png

9.使用端口号与ip复制进行登录

image.png

5.redis 命令工具

工具作用
redis-server用于启动redis的工具
redis-benchmark用于检测redis在本机的运行效率
redis-check-aof修复AOF持久化文件
redis-check-rdb修复RDB持久化文件
redis-cliredis命令行工具

image.png

5.1 redis-cli：redis命令行工具

 语法：redis-cli -h host -p port -a password
 ​
 -h：指定远程主机机
 -p：指定Redis服务的端口号
 -a：指定密码，未设置数据库密码可以省略-a选项
 #-a选项若不添加任何选项表示使用127.0.0.1:6379连接本机上的Redis数据库
 ​
 #登录本机
 redis-cli
 #远程登录
 redis-cli -h 192.168.72.60 -p 6379 [-a 密码]

5.2 redis-benchmark测试工具

redis-benchmark是官方自带的Redis性能测试工具，可以有效的测试Redis服务的性能。

 基本的测试语法：redis-benchmark [选项] [选项值]
 ​
 -h：指定服务器主机名。
 -p：指定服务器端口。
 -s：指定服务器 socket
 -c：指定并发连接数。
 -n：指定请求数。
 -d：以字节的形式指定SET/GET值的数据大小。
 -k：l=keep alive 0=reconnect 
 -r：SET/GET/INCR 使用随机key,SADD使用随机值
 -P：通过管道传输<numreg>请求
 -q：强制退出redis，仅显示query/sec值
 --csv：以CSV格式输出
 -l：生成循环,永久执行测试
 -t：仅运行以逗号分隔的测试命令列表
 -I：Idle模式，仅打开N个idle连接并等待

6.Redis 数据库常用命令

6.1 set、get设置和获取键的值

 set：存放数据，命令格式为 set key value 
 get：获取数据，命令格式为 get key 
 ​
 示例：
 [root@yuji ~]# redis-cli
 127.0.0.1:6379> set teacher lisi
 OK
 127.0.0.1:6379> get teacher
 "lisi"

image.png

6.2 keys 获取键值列表

keys命令可以获取符合规则的键值列表,通常情况可以结合 *、? 等选项来使用。

 #先创建几个键
 127.0.0.1:6379>set k1 1
 127.0.0.1:6379>set k2 2
 127.0.0.1:6379>set k3 3 
 127.0.0.1:6379>set v1 4 
 127.0.0.1:6379>set v5 5
 127.0.0.1:6379>set v22 6
 127.0.0.1:6379>set v33 7
 ​
 127.0.0.1:6379>keys *     #查看当前数据库中所有键
 127.0.0.1:6379>keys v*    #查看当前数据库中以v开头的键
 127.0.0.1:6379>keys v?    #查看当前数据库中以v开头，后面包含任意一位字符的键
 127.0.0.1:6379>keys v??   #查看当前数据库中以v开头，后面包含任意两位字符的键

image.png

6.3 exists 判断键是否存在

exists 命令可以判断键是否存在。

返回1，表示键存在。

返回0，表示键不存在。

 127.0.0.1:6379> exists teacher  #判断teacher键是否存在，返回1表示存在
 (integer) 1
 127.0.0.1:6379> exists student  #判断studen键是否存在，返回0表示存在
 (integer) 0

image.png

6.4 del 删除键

del 命令可以删除当前数据库的指定key。

 127.0.0.1:6379> get k1
 "1"
 127.0.0.1:6379> del k1     #删除k1键
 (integer) 1
 127.0.0.1:6379> get k1
 (nil)
 127.0.0.1:6379> exists k1   #k1键已不存在
 (integer) 0

image.png

6.5 type 查看键存储的数据类型

type 命令可以获取 key 对应的 value 值类型。

 127.0.0.1:6379> get k2
 "2"
 127.0.0.1:6379> type k2
 string                      #字符串类型

image.png

6.6 rename 重命名

rename 命令是对已有 key 进行重命名。（覆盖）

  • 使用rename命令进行重命名时，无论目标key是否存在都会进行重命名，且源key的值会覆盖目标key的值。

  • 在实际使用过程中，建议先用exists命令查看目标key 是否存在，然后再决定是否执行rename 命令，以避免覆盖重要数据

image.png

6.7 renamenx 会检查目标键名是否已存在

renamenx 命令的作用是对已有key进行重命名，并检测新名是否存在，如果目标key存在则不进行重命名。（不覆盖）

image.png

6.8 dbsize 查看键数目

dbsize 命令的作用是查看当前数据库中key的数目。

 127.0.0.1:6379> dbsize      #查看键数目
 (integer) 11                #一共11个键
 127.0.0.1:6379>

image.png

6.9 设置和清空密码

1、设置和查看密码

使用 config set requirepass password 命令设置密码。（一旦设置密码，必须先验证通过密码，否则所有操作不可用）

使用 config get requirepass 命令查看密码。

image.png

2、清空密码

使用 config set requirepass '' 清空密码。

image.png

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