【Redis/2】核心特性、应用场景与安装配置

一、初识 Redis

1.1 Redis 概述

1. Redis 简介

Redis（Remote Dictionary Server） 是一款高性能的 键值存储（Key-Value Store） 数据库，属于 NoSQL 数据库的一种。相较于传统键值数据库，Redis 的核心优势在于其支持 多种数据结构，包括：

• String（字符串）
• Hash（哈希表）
• List（列表）
• Set（集合）
• Sorted Set（有序集合）
• Bitmaps（位图）
• HyperLogLog（基数统计）
• GEO（地理空间索引）

由于 Redis 数据主要存储在内存中，其读写性能极高（可达 10万+ QPS）。同时，Redis 提供 持久化机制（RDB 快照和 AOF 日志），确保数据在宕机或故障时不会丢失。

此外，Redis 还支持：

• 键过期（Key Expiration）
• 发布订阅（Pub/Sub）
• 事务（Transactions）
• 流水线（Pipeline）
• Lua 脚本（Lua Scripting）

2. Redis 的发展历程

• 2008 年：Redis 由 Salvatore Sanfilippo（@antirez） 开发，最初用于优化其项目 LLOOGG 的队列性能（替代 MySQL）。
• 2009 年：Redis 1.0 开源发布，迅速获得广泛关注。
• 至今：Redis 已成为全球最受欢迎的 内存数据库 之一，被众多 大型互联网公司 采用。

1.2 Redis 核心特性

• MySQL 主要通过 表 存储数据，“关系型数据库”
• Redis 通过 键值对 存储数据，“非关系型数据库”

根据官方的介绍，Redis 具有以下特性和优点：

1. 高性能

• Redis 提供极高的读写性能，能在毫秒级的时间内完成数据操作。
• 支持单线程架构，利用事件循环处理多个客户端请求，避免了上下文切换的开销。
• 从网络角度上，Redis 使用了IO多路复用的机制（epoll）
• Redis是C语言开发的，从某种程度上也减少了延迟以及提高了处理速度

2. 丰富的数据类型

• 除了传统的键值对数据存储，Redis 支持多种复杂的数据类型，如：
  • 字符串（String）
  • 哈希（Hash）
  • 列表（List）
  • 集合（Set）
  • 有序集合（Sorted Set）
  • 位图（Bitmap）
  • HyperLogLog（用于基数统计）
  • 地理空间（Geospatial）

3. 持久化

• Redis 提供了两种持久化机制：
  • RDB（Redis 数据库快照）：通过定期将数据保存到磁盘中来持久化数据。
  • AOF（追加文件）：每次对 Redis 进行写操作时，将操作命令追加到日志文件中。
• 这两种方式可以结合使用，以确保数据的持久性和高可用性。

4. 原子操作

• Redis 提供对数据的原子操作支持，确保在并发情况下，数据的修改不会发生冲突或不一致。

5. 主从复制

• Redis 支持主从复制机制，可以通过复制将数据同步到多个从节点，从而提高数据的可用性与读取性能。

6. 高可用性与分布式

• Redis 通过 Redis Sentinel 实现高可用性，能够自动故障转移（failover），保证系统的持续可用性。
• Redis Cluster 支持分布式部署，可以自动分片（sharding），以支持大规模的数据存储。

7. 内存存储与低延迟

• Redis 完全基于内存（RAM）操作，具有极低的延迟。
• 适用于高频的读写操作，如实时应用程序、缓存等。

8. 灵活的过期策略

• Redis 支持键值对的过期时间设置，可以自动删除过期的数据。
• 支持 LRU（Least Recently Used）算法来清除最少使用的键，帮助控制内存使用。

9. 事务支持

• Redis 提供了事务机制，支持 MULTI、EXEC、WATCH 等命令来实现一组操作的原子执行。

10. 简单的 API

• Redis 提供了非常简单直观的 API，易于集成和使用，支持多种编程语言，如 Python、Java、C、Go 等。

总结

下图是总结了Redis的核心功能：

• 速度快：由于是内存数据库，读取速度极快。
• 数据结构丰富：支持多种数据结构，能够满足不同场景的需求。
• 高可用性：通过复制和故障转移机制确保系统的高可用性。
• 易于扩展：支持分片和分布式架构，能轻松扩展为大规模分布式系统。
• 灵活性强：支持多种持久化方案和过期策略。

1.3 Redis 应用场景

Redis 适用场景

1. 缓存

   • Web缓存：Redis 常被用作缓存系统，以提高Web应用的响应速度和减轻数据库的负载。它通过存储热数据，避免重复查询数据库。
   • 页面缓存：可以将渲染过的页面存储在 Redis 中，从而快速返回给用户，减少服务器端渲染负担。
   • 数据库查询结果缓存：将数据库查询结果缓存在 Redis 中，避免对数据库的重复查询，减少数据库负载。

2. 会话存储（Session Store）

   • Redis 常被用作会话存储，尤其是在处理大量用户会话时。由于 Redis 支持键值对存储和高效的过期策略，非常适合存储用户会话数据。
   • 它能支持高并发的读写，并且提供自动过期功能，确保会话数据能在合理时间后自动清理。

3. 实时数据分析

   • Redis 的快速读写能力使它非常适合做实时数据分析。例如，使用 Redis 存储网站的实时访问数据、用户活动数据等。
   • 计数器：利用 Redis 的自增操作，可以很方便地实现点击计数、PV（页面浏览量）和 UV（独立访客数）等功能。
   • 实时流数据处理：借助 Redis 的 列表 和 集合 等数据结构，可以实时处理和分析大量流数据。

4. 排行榜/计分系统

   • 有序集合（Sorted Set） 是 Redis 的一项强大功能，非常适合实现排行榜和计分系统。通过有序集合，可以高效地存储并排序用户分数。
   • 常见应用如在线游戏的排行榜、社交平台的用户积分等。

5. 消息队列（Message Queue）

   • Redis 可以作为高效的消息队列系统，支持 发布/订阅（Pub/Sub） 模式以及 列表 结构作为队列实现。
   • 它可以用来在分布式系统中进行异步任务处理、事件通知等场景。其快速的生产者/消费者模型能够实现低延迟的消息传递。

6. 实时聊天系统

   • Redis 的发布/订阅模型（Pub/Sub）常常用于实现实时消息推送系统。通过 Redis，用户可以在不同的聊天室中实时交换消息。
   • 该功能非常适合社交应用、即时通讯工具、在线客服等场景。

7. 队列任务系统

   • Redis 的列表（List）数据结构非常适合用来实现任务队列，支持 LPUSH 和 RPOP 等原子操作，可以高效地进行任务的推送和消费。
   • 例如，后台任务处理、异步任务分发等场景。

8. 分布式锁

   • 在分布式系统中，Redis 可以作为分布式锁的实现方式。通过 Redis 提供的 SETNX 命令，多个进程可以竞争获取锁，确保资源在同一时刻只被一个进程访问。
   • 这种锁的机制可广泛应用于分布式系统中的资源控制、事务管理等场景。

Redis 不适用场景

站在数据规模的角度看，数据可以分为大规模数据和小规模数据；我们知道 Redis 的数据是存在内存中的，如果数据量过于大的情况下，使用Redis经济成分很高（内存的价格远高于磁盘）

站在数据冷热的角度看，数据分为热数据与冷数据；热数据通常指需要频繁操作的数据，反之为冷数据，对于一个视频网站来说，视频的基本信息就属于热数据，用户观看记录一般情况下不会经常访问，属于冷数据。
如果将这些冷数据放在Redis中，就浪费了其内存空间。这些冷数据就不适合放在Redis中。
即将那些要经常被访问的数据放到内存中，而不经常被访问的放在磁盘中存储。

1.4 Redis 版本

Redis 借鉴了 Linux 操作系统的版本号命名规则：如果版本号的第二位是奇数，则表示该版本为非稳定版本（例如 2.7、2.9、3.1）；如果是偶数，则为稳定版本（例如 2.6、2.8、3.0、3.2）。当前的奇数版本是下一个稳定版本的开发版本，例如 2.9 是 3.0 版本的开发版本。因此，生产环境通常选择偶数版本的 Redis。如果希望提前体验新的特性，可以选择最新的奇数版本。

二、Redis 安装与基础操作

下面相关的安装与操作部分主要以Ubuntu系统为主进行介绍：

2.1 安装 Redis

1. 在 Ubuntu 系统中，直接使用 apt 安装即可：

apt install redis -y # -y 自动确认安装过程中的提示

2. Windows 系统安装reids：
   • https://github.com/tporadowski/redis/releases
   • 进入github对应的目录下，直接下载压缩包或安装包msi
   • 安装后reids目录内容如下：

2.2 支持远程连接

1. Ubuntu 系统 修改 /etc/redis/redis.conf

• 修改 bind 127.0.0.1 为 bind 0.0.0.0
• 修改 protected-mode yes 改为 protected-mode no
  

2. Windows 系统修改下载目录下的 redis.windows-service.conf
   

2.3 Redis 基础控制

1. 启动 Redis 服务

   service redis-server start
   

2. 停止 Redis 服务

   service redis-server stop
   

3. 重启 Redis 服务

   service redis-server restart
   

三、Redis 重要文件 & 作用

3.1 工具 & 脚本

下面是一些Redis中重要的工具与脚本，用于服务器的管理、性能测试、监控、数据文件的检查与修复等功能：

3.2 配置文件

/etc/redis-sentinel.conf
/etc/redis.conf

• /etc/redis.conf 是 Redis 服务器的配置文件。
• /etc/redis-sentinel.conf 是 Redis Sentinel 的配置文件。

3.3 持久化文件存储目录

/var/lib/redis/

Redis 持久化生产的 RDB 和 AOF ⽂件都默认生成于该目录下。

3.4 日志文件目录

/var/log/redis/

该目录下会保存 Redis 运行期间 产生的日志文件，默认按照天数进行分割，并会将一定日期的日期文件使用gzip格式压缩保存。

四、Redis 命令行客户端

Redis客户端与服务端的交互过程如下图：

4.1 连接Redis服务器的两种模式

1. 交互式连接（推荐用于日常操作）

连接命令格式：

redis-cli -h {host} -p {port}

典型使用场景：

• 需要连续执行多个命令
• 调试和开发环境
• 需要查看命令返回值的场景

操作示例：

$ redis-cli -h 127.0.0.1 -p 6379
127.0.0.1:6379> ping  # 测试连接
PONG
127.0.0.1:6379> set user:1001 "张三"  # 设置键值
OK
127.0.0.1:6379> get user:1001  # 获取值
"张三"
127.0.0.1:6379> info memory  # 查看内存信息

2. 命令行模式（适合脚本调用）

命令格式：

redis-cli -h {host} -p {port} {command}

适用场景：

• Shell脚本中调用Redis命令
• 需要直接获取命令结果的场景
• 自动化任务执行

使用示例：

$ redis-cli ping  # 测试连接
PONG
$ redis-cli set counter 100  # 设置值
OK
$ redis-cli incr counter  # 原子递增
(integer) 101
$ redis-cli --raw get counter  # 原始格式输出
101

4.2 连接参数简化技巧

默认连接配置：

• 当连接本地服务器(127.0.0.1)和默认端口(6379)时，可省略参数：

redis-cli  # 等同于 redis-cli -h 127.0.0.1 -p 6379

常用连接选项：

4.3 高级连接技巧

1. 批量命令执行

$ redis-cli <<EOF
SET user:1002 "李四"
EXPIRE user:1002 3600
GET user:1002
EOF

2. 管道操作（提升批量操作性能）

$ echo -e "SET key1 value1\nGET key1" | redis-cli --pipe

3. TLS安全连接（Redis 6.0+）

redis-cli --tls --cert ./redis.crt --key ./redis.key

4.4 连接问题排查

常见错误处理：

1. 连接拒绝：

   $ redis-cli
   Could not connect to Redis at 127.0.0.1:6379: Connection refused
   

   解决方案：

   • 确认Redis服务已启动：ps aux | grep redis
   • 检查防火墙设置

2. 认证失败：

   (error) NOAUTH Authentication required
   

   解决方案：

   redis-cli -a yourpassword
   

3. 连接超时：
   解决方案：

   redis-cli -h remote_host --timeout 5