Redis 系列（一）：认识 Redis

克里斯叮
16,528 阅读9分钟

前言

最近在整理 Redis 的相关知识体系，书和博客都看了很多，知识点零零碎碎不成体系，最近想沉下心来，好好地梳理一番！既然要学习 Redis，就得先了解 Redis 都有哪些知识点，最便捷了解 Redis 知识点的渠道就是八股文啦，我从八股文中总结了一下 Redis 相关的知识点如图，后边我们就以知识点的形式为大家讲述 Redis 的核心知识，边解答问题，边总结知识点，后边有时间再带大家深入源码，探索 redis 设计的奥秘。有兴趣的小伙伴欢迎收藏、点赞、加关注哦！

redis 学习.jpeg

1.什么是 Redis

Redis（REmote DIctionary Server）是一种基于 C 语言开发的、基于内存存储的开源数据库（BSD 许可）。Redis 拥有以下特点：

  1. Redis 的数据存储在内存中，因此具有非常快的读写速度。这使得 Redis 在处理大量数据和高并发请求时表现出色。
  2. 与传统的关系型数据库不同，Redis 使用类似于键值对的结构（哈希表）来存储数据；Redis 提供了多种数据类型来支持不同的业务场景，包括：String(字符串)、Hash(哈希)、 List (列表)、Set(集合)、Zset(有序集合)、Bitmaps（位图）、HyperLogLog（基数统计）、GEO（地理信息）、Stream（流）。
  3. Redis 执行命令是由单线程负责的，因此不存在并发竞争的问题，保证了操作的原子性。如果某个命令执行过长（大 key 问题），会造成其他命令的阻塞，对于 Redis 这种高性能的服务来说是致命的，所以 Redis 是面向快速执行场景的数据库。Redis 6.0 版本新增了多线程模型，默认是不打开多线程的，该多线程模型是为了解决网络 IO 性能瓶颈而设计的，而在多线程模型下 Redis 执行命令依然是单线程的，不会打破操作的原子性，多线程只是应用到了处理网络 IO的层面。
  4. Redis 提供了持久化功能，包括：AOF 、RDB 以及混合持久化，可以将内存中的数据定期或异步地写入硬盘，以实现数据的持久化和备份。这可以保证数据的安全性，即使在系统出现故障时也不会丢失数据。
  5. Redis 支持事务功能，提供了一种保证一系列命令按顺序、原子性、隔离性执行的机制，特别适用于需要多个命令按顺序执行并保证一致性的场景。但 Redis 事务并不支持回滚操作，如果在事务执行过程中某条命令执行失败，后续的命令仍然会继续执行，而不会回滚到事务开始前的状态。因此，这里的”原子性“指的是保证命令队列作为一个单独的原子操作被执行。
  6. 除此之外，Redis 还支持 Lua 脚本、多种集群方案（主从复制模式、哨兵模式、集群模式）、发布/订阅模式，内存淘汰机制、过期删除机制等等。

因此，Redis 是一个功能强大、性能卓越的数据库系统，它被广泛应用于缓存、数据库、消息代理等领域，是解决 高并发、高性能 等问题的优秀解决方案之一。

2.Redis 为什么快？

根据官方数据，Redis 的 QPS 可以达到约 100000（每秒请求数 10w/s），如下图：（横轴是连接数，纵轴是 QPS）

redis-qps.png

为什么 redis 可以这么快呢？比较重要的有下面几点：

redis 为什么这么快.jpg

本图来自： Why is Redis so fast?

why-redis.png

  1. Redis 是基于内存实现的数据库，内存的访问速度是磁盘（ms 级别）的千倍万倍，请求执行时间是 ns 级别；（网上看到一张图很有意思，贴在这里，这张图不仅给出了不同介质的延迟时间，还形象的用我们能直观理解的时间做了说明，内存:磁盘 = 6分钟:1-12月，内存相对于磁盘的访问速度提升一目了然）

redis-fast.png

  1. Redis 基于 Reactor 模式设计开发了一套高效的事件处理模型：单线程执行命令和 IO 多路复用：
    1. Redis 采用单线程模型可以避免多线程之间的竞争问题，省去了多线程切换带来的时间和性能上的开销，而且也不会导致死锁问题，同时保证了每个操作的原子性。（当然 Redis 6.0 增加了多线程处理网络 IO，但执行命令依然是单线程的，不会破坏操作的原子性 ）
    2. Redis 采用了 I/O 多路复用机制处理大量的客户端 Socket 请求，IO 多路复用机制是指一个线程处理多个 IO 流，就是我们经常听到的 select/epoll 机制。简单来说，在 Redis 只运行单线程的情况下，该机制允许内核中，同时存在多个 Socket。内核会一直监听这些 Socket 上的连接请求或数据请求。一旦有请求到达，就会交给 Redis 线程处理，这就实现了一个 Redis 线程处理多个 IO 流的效果，而 epoll 是基于事件驱动的，Redis 的单线程模式下不会阻塞等待网络 IO，网络 IO 的读写和命令处理是交替执行的，没有浪费一点 CPU，因此单线程的 Redis 也能达到 10w QPS。具体可以参考：一文读懂网络 IO 模型原理 。随着网络硬件的发展，网络 IO 读写处理有时会出现性能瓶颈，针对这部分情况，可以使用多线程去处理网络 IO，借此进一步提升 Redis 的性能。
  2. Redis 数据库使用哈希表存储数据，并内置了多种优化过后的数据类型，性能非常高。
    1. Redis 数据库使用全局哈希表来保存所有键值对，哈希表的时间复杂度是O(1)，它能够提供高效的查找和插入操作。Redis 为了防止哈希冲突导致链表过长，设计了渐进式 rehash 操作，由后台定时任务和每一次对 key 的访问为触发契机，巧妙地将一个繁重且可能阻塞主线程的内存搬运操作，分摊到一段时间内进行分批搬运（类似的削峰优化），避免了主线程的阻塞，进而提升 Redis 的运行速度。
    2. Redis 内置了很多高效的数据结构，包括：SDS（简单动态字符串）、链表、压缩列表、哈希表、整数集合、跳表、quicklist（3.2 以后版本 双向链表 + 压缩列表）、listpack（5.0 以后版本） 等等。

3.Redis 和 Memcached 有什么区别？

Redis 与 Memcached 共同点：

  1. 都是基于内存的数据库，一般都用来当做缓存使用；
  2. 都有过期策略；
  3. 两者的性能都非常高。

Redis 与 Memcached 区别：

  1. Redis 支持的数据类型更丰富（String、Hash、List、Set、ZSet），而 Memcached 只支持最简单的 key-value 数据类型；
  2. Redis 支持数据的持久化，可以将内存中的数据保持在磁盘中，重启的时候可以再次加载进行使用，而 Memcached 没有持久化功能，数据全部存在内存之中，Memcached 重启或者挂掉后，数据就没了；
  3. Redis 原生支持集群模式，而 Memcached 没有原生的集群模式，需要依靠客户端来实现往集群中分片写入数据；
  4. Redis 支持发布订阅模型、Lua 脚本、事务等功能，而 Memcached 不支持；
  5. Redis 删除策略有惰性删除与定期删除两种形式，而 Memcached 对过期数据的删除策略只用了惰性删除。
    1. 惰性删除：当一个 key 过期时，会被标记为过期状态（是由定时器或定时任务的机制来检测过期的 key，并标记状态），只有当这个 key 被访问时，才会执行删除操作。这种策略可以节省 CPU 资源，因为只有在需要时才会进行删除操作。然而，如果一个 key 过期后没有被访问，它将继续存在于内存中，直到被访问。
    2. 定期删除：Redis 定期扫描其内部的数据结构，检查是否有 key 到达了过期时间，并执行删除操作。这种策略可以确保过期的 key 被及时删除，但可能会浪费 CPU 资源，因为删除操作需要额外的 CPU 时间和检测成本。

4.为什么要用 Redis 作缓存？

主要是因为 Redis 具备 “高性能”和“高并发” 两种特性。

  1. Redis 具备高性能的数据存储和查询能力

假如用户第一次访问 Mysql 数据库中的某些数据的话，这个过程是比较慢，因为是从硬盘中读取的。如果将该用户访问的数据存在 Redis 缓存中。那用户下一次再访问这些数据的时候，就可以直接从 Redis 缓存中获取了。而操作 Redis 缓存就是直接操作内存，所以速度相当快。如果 MySQL 中对应数据发生改变，需要同步改变 Redis 缓存中相应的数据，不过这里会有 Redis 和 MySQL 双写一致性的问题，我们后续文章再详细讨论。

  1. Redis 具备高并发的数据处理能力

一般像 MySQL 这类的数据库的 QPS 大概都在 1w 左右（4 核 8g） ，但是使用 Redis 缓存之后很容易突破 10w。

QPS（Query Per Second）：服务器每秒可以执行的查询次数，查询次数具体是指发出请求到服务器处理完成返回结果的数量；

所以，直接访问 Redis 能够承受的请求数量是远远大于直接访问 MySQL 的，所以我们可以考虑把数据库中的部分数据转移到缓存中去，这样用户的一部分请求会直接到缓存这里而不用经过数据库，因此我们也就提高了系统整体的并发能力。

总结

本文内容比较简单，知识点却十分重要，在面试中也经常会被问到。本文以认识 Redis 为题，为大家建立起 Redis 的核心知识点网络，后续将逐步点亮知识网络上的每一个分支，帮助大家掌握 Redis。

本文从整体上讲述了 Redis 的核心知识体系，帮助大家重新认识了:

  • Redis 是什么
  • Redis 为什么这么快
  • Redis 在分布式缓存常见技术选型上的对比
  • 业务中最常使用 Redis 的方式：缓存。

以上就是本文的全部内容，如果觉得还不错的话欢迎点赞，转发和关注，感谢支持。

avatar
文章
阅读
粉丝