Redis 的原理和作用是什么

這篇文章主要介紹“Redis 的原理和作用是什么”，在日常操作中，相信很多人在Redis 的原理和作用是什么問題上存在疑惑，小編查閱了各式資料，整理出簡單好用的操作方法，希望對大家解答”Redis 的原理和作用是什么”的疑惑有所幫助！接下來，請跟著小編一起來學(xué)習(xí)吧！

一、Redis 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

1. String
Redis 里的字符串是動態(tài)字符串，會根據(jù)實(shí)際情況動態(tài)調(diào)整。類似于 Go 里面的切片-slice，如果長度不夠則自動擴(kuò)容。至于如何擴(kuò)容，方法大致如下：當(dāng) length 小于 1M 的時(shí)候，擴(kuò)容規(guī)則將目前的字符串翻倍；如果 length 大于 1M 的話，則每次只會擴(kuò)容 1M，直到達(dá)到 512M。

2. List
Redis 里的 List 是一個鏈表，由于鏈表本身插入和刪除比較塊，但是查詢的效率比較低，所以常常被用做異步隊(duì)列。Redis 里的 List 設(shè)計(jì)非常牛，當(dāng)數(shù)據(jù)量比較小的時(shí)候，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是壓縮鏈表，而當(dāng)數(shù)據(jù)量比較多的時(shí)候就成為了快速鏈表。

可運(yùn)用的場景：在業(yè)務(wù)中異步隊(duì)列使用 rpush/lpush 操作隊(duì)列，使用 lpop 和 rpop 出隊(duì)列，具體結(jié)構(gòu)如下圖所示：

3. Set

Redis 中的 set 是一個無序 Map，由于 Go 中沒有 set 結(jié)構(gòu)，所以這里只能類比 Java 中的 HashSet 概念。Redis 的 set 底層也是一個 Map 結(jié)構(gòu)，不同于 Java 的是：alue 是一個 NULL。由于 set 的特性，它可以用于去重邏輯，這一點(diǎn)在 Java 中也經(jīng)常使用。

可運(yùn)用場景：活動抽獎去重。

4. Hash

Redis 中的字典類型大家不陌生，也許其他語言都有這種結(jié)構(gòu)（python，Java，Go）， hash 的擴(kuò)容 rehash 過程和 Go 里面的設(shè)計(jì)頗有類似，也就是維護(hù)了兩個 hash 結(jié)構(gòu)，如果需要擴(kuò)容的時(shí)候，就把新的數(shù)據(jù)寫入新字典中，然后后端起一個線程來逐步遷移，總體上來說就是采用了空間換時(shí)間的思想。

可運(yùn)用場景：記錄業(yè)務(wù)中的不同用戶/不同商品/不同場景的信息：如某個用戶的名稱，或者用戶的歷史行為。

5. Zset
Redis 中的 zset 是一個比較特殊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（跳躍列表），也就是我們了解到的跳表，底層由于 set 的特性保證了 value 唯一，同時(shí)也給了 value 一個得分，所謂的有序其實(shí)就是根據(jù)這個得分來排序。至于跳躍表如何插入，其實(shí)內(nèi)部采用了一個隨機(jī)策略：L0:100%-L2:50%-L3:25%-....Ln:(n-1)value/2%。

可運(yùn)用場景：榜單，總榜，熱榜。

二、Redis 進(jìn)階使用

1. 布隆過濾器

Redis 在 4.0 以后支持布隆過濾（準(zhǔn)確的來說是支持了布隆過濾器的插件），給 Redis 提供了強(qiáng)大的去重功能。在業(yè)務(wù)中，我們可能需要查詢數(shù)據(jù)庫判斷歷史數(shù)據(jù)是否存在，如果數(shù)據(jù)庫的并發(fā)能力有限，這個時(shí)候我們可以采用 Redis 的 set 做去重。如果緩存的數(shù)據(jù)過大，這個時(shí)候就需要遍歷所有緩存數(shù)據(jù)，另外如果我們的歷史數(shù)據(jù)緩存寫不下了，終究要去查詢數(shù)據(jù)庫，這個時(shí)候就可以使用布隆過濾器。

當(dāng)然布隆過濾器精確度不是 100% 準(zhǔn)確（如果對數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度要求很高的話，這里不建議使用），因?yàn)閷τ诖嬖诘臄?shù)據(jù)也許這個值不一定存在，當(dāng)然如果不存在，那肯定 100% 不存在了。

（1）命令使用

bf.add #添加元素bf.exists #判斷元素是否存在bf.madd #批量添加bf.mexists #批量判斷是否存在

（2）原理

布隆過濾的組成可以當(dāng)作一個位數(shù)組和幾個計(jì)算結(jié)果比較均勻的 hash 函數(shù)，每次添加 key 的時(shí)候，會把 key 通過多次 hash 來計(jì)算所得到的位置，如果當(dāng)前位置不是 0 則表示存在?？梢钥吹?，這樣的計(jì)算存在一定誤差，這也正是它的不準(zhǔn)確性問題的由來。

2. 分布式鎖

大家對分布式鎖也許也不會陌生，現(xiàn)在市面上主流的實(shí)現(xiàn)分布鎖的技術(shù)有 ZK 和 Redis；下文為大家簡單介紹一下 Redis 如何實(shí)現(xiàn)分布式鎖。

命令

setnx lock:mutex ture #加鎖del  lock:mutex #刪除鎖

實(shí)現(xiàn)分布式鎖的核心就是：請求的時(shí)候 Set 這個 key，如果其他請求設(shè)置失敗的時(shí)候，即拿不到鎖。但是存在一個問題：如果業(yè)務(wù) panic 或者忘記調(diào)用 del 的話，就會產(chǎn)生死鎖，這個時(shí)候大家很容易能想到：我們可以 expire 一個過期時(shí)間，這樣就可以保證請求不會一直獨(dú)占鎖且無法釋放鎖的邏輯了。

但是假設(shè)業(yè)務(wù)存在這樣一種情況：A 請求在獲取鎖后處理邏輯，由于邏輯過長，這個時(shí)候鎖到期釋放了，A 這個時(shí)候剛剛處理完成，而 B 又去改了這個數(shù)據(jù)，這就存在一個鎖失效的問題。解決這種問題參考 CAS 的方式，對鎖設(shè)置一個隨機(jī)數(shù)，可以理解為版本號，如果釋放的時(shí)候版本號不一致，則表示數(shù)字已經(jīng)在釋放那一刻改掉了。

三、深入原理

1. IO模型

Redis 是單線程模型（這里的單線程指的是 IO 和鍵值對的讀寫是一個線程完成的），當(dāng)然如果嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膩碚f還是可以理解為是多線程，不過這樣的多線程不過是在數(shù)據(jù)備份的時(shí)候會 fork 一個子進(jìn)程對數(shù)據(jù)進(jìn)行從磁盤讀取數(shù)據(jù)并組裝 RDB，然后同步給 slaver 節(jié)點(diǎn)的操作，當(dāng)然包括備份和持久化也都是通過另外起線程完成的，所以我們可以把 Redis 認(rèn)作為一個單線程模型。

那么問題來了，為什么單線程的模型能這么快？原因很簡單，因?yàn)?Redis 本身就是在內(nèi)存中運(yùn)算，而對于上游的客戶端請求，采用了多路復(fù)用的原理。Redis 會給每一個客戶端套接字都關(guān)聯(lián)一個指令隊(duì)列，客戶端的指令隊(duì)列通過隊(duì)列排隊(duì)來進(jìn)行順序處理，同時(shí) Reids 給每一個客戶端的套件字關(guān)聯(lián)一個響應(yīng)隊(duì)列，Redis 服務(wù)器通過響應(yīng)隊(duì)列來將指令的接口返回給客戶端。

2. 通信協(xié)議

Redis 采用了 Gossip 協(xié)議作為通信協(xié)議。Gossip 是一種傳播消息的方式，可以類比為瘟疫或者流感的傳播方式，使用 Gossip 協(xié)議的有：Redis Cluster、Consul、Apache Cassandra 等。Gossip 協(xié)議類似病毒擴(kuò)散的方式，將信息傳播到其他的節(jié)點(diǎn)，這種協(xié)議效率很高，只需要廣播到附近節(jié)點(diǎn)，然后被廣播的節(jié)點(diǎn)繼續(xù)做同樣的操作即可。當(dāng)然這種協(xié)議也有一個弊端就是：會存在浪費(fèi)，哪怕一個節(jié)點(diǎn)之前被通知到了，下次被廣播后仍然會重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)。

3. 持久化

（1）RDB

RDB 是對當(dāng)前 Redis 的存儲數(shù)據(jù)進(jìn)行一次快照（具體原理和如何做，限于篇幅這里不做過多復(fù)述了）。

（2）AOF

日志只記錄 Redis 對內(nèi)存修改的指令記錄，Redis 提供了一個 bgrewriteaif 的指令對 AOF 進(jìn)行壓縮。原理就是：開辟一個子進(jìn)程對內(nèi)存進(jìn)行遍歷后，轉(zhuǎn)換成一系列對 Redis 的操作指令，序列化到一個新的 AOF 日志文件中。系列化完成后再將發(fā)送的增量 AOF 日志追加到這個新的 AOF 日志中，追加完成后用新的 AOF 日志代替舊的。

（3）混合持久化

由于單純 RDB 的話，可能存在數(shù)據(jù)的丟失，而頻繁的 AOF 又會影響了性能，在 Redis 4.0 之后，支持了混合持久化，也就是每次啟動時(shí)候通過 RDB+增量的 AOF 文件來進(jìn)行回復(fù)，由于增量的 AOF 僅記錄了開始持久化到持久化結(jié)束期間發(fā)生的增量，這樣日志不會太大，性能相對較高。

4. 主從同步

Redis 的同步方式有：主從同步、從從同步（由于全部都由 master 同步的話，會損耗性能，所以部分的 slave 會通過 slave 之間進(jìn)行同步）。

同步過程：

• 建立連接，然后從庫告訴主庫：“我要同步啦，你給我準(zhǔn)備好”，然后主庫跟從庫說：“收到”。

• 從庫拿到數(shù)據(jù)后，要把數(shù)據(jù)保存到庫里。這個時(shí)候就會在本地完成數(shù)據(jù)的加載，會用到 RDB 。

• 主庫把新來的數(shù)據(jù) AOF 同步給從庫。

5. Sentine

Redis 的主從切換是通過哨兵來解決的。這里哨兵主要解決的問題就是：當(dāng) master 掛了的情況下，如果在短時(shí)間內(nèi)重新選舉出一個新的 master 。

Sentinel 集群是一個由 3-5 個（可以更多）節(jié)點(diǎn)組成的，用來監(jiān)聽整個 Redis 的集群，如果發(fā)現(xiàn) master 不可用的時(shí)候，會關(guān)閉和斷開全部的與 master 相連的舊鏈接。這個時(shí)候 Sentinel 會完成選舉和故障轉(zhuǎn)移，新的請求則會轉(zhuǎn)到新到 master 中。

6. Redis集群工作原理

Redis 集群通過槽指派機(jī)制來決定寫命令應(yīng)該被分配到那個節(jié)點(diǎn)。整個集群對應(yīng)的槽是由 16384 大小的二進(jìn)制數(shù)組組成，集群中每個主節(jié)點(diǎn)分配一部分槽，每條寫命令落到二進(jìn)制數(shù)組中的某個位置，該位置被分配給了哪個節(jié)點(diǎn)，則對應(yīng)的命令就由該節(jié)點(diǎn)去執(zhí)行。槽指派對應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)組如下圖所示：

從上圖可以看到：節(jié)點(diǎn) 1 只負(fù)責(zé) 執(zhí)行 0 - 4999 的槽位，而節(jié)點(diǎn) 2 負(fù)責(zé)執(zhí)行 5000 - 9999，節(jié)點(diǎn) 3 執(zhí)行 9999- 16383 。當(dāng)進(jìn)行寫的時(shí)候：

set key value

命令通過 CRC16(key) & 16383 = 6789（假設(shè)結(jié)果），由于節(jié)點(diǎn) 2 負(fù)責(zé) 5000～9999 的槽位，則該命令的結(jié)果 6789 最終由節(jié)點(diǎn) 2 執(zhí)行。當(dāng)然如果在節(jié)點(diǎn) 2 執(zhí)行一條命令時(shí)，假設(shè)通過 CRC 計(jì)算后得到的值為 567，則其應(yīng)該由節(jié)點(diǎn) 1 執(zhí)行，此時(shí)命令會進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作，將要執(zhí)行的命令流轉(zhuǎn)到節(jié)點(diǎn) 1 上去執(zhí)行。

集群節(jié)點(diǎn)同步：
集群中每個主節(jié)點(diǎn)都會定時(shí)發(fā)送信息到其他主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步，如果其他主節(jié)點(diǎn)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)響應(yīng)了發(fā)送消息的主節(jié)點(diǎn)，則發(fā)送消息的主節(jié)點(diǎn)認(rèn)為響應(yīng)了消息的主節(jié)點(diǎn)正常，反之則認(rèn)為響應(yīng)消息的主節(jié)點(diǎn)疑似下線，則發(fā)送消息的主節(jié)點(diǎn)在其節(jié)點(diǎn)上將其標(biāo)記“疑似下線”。

當(dāng)集群中超過一半以上的節(jié)點(diǎn)認(rèn)為某個主節(jié)點(diǎn)被標(biāo)記為“疑似下線”，則其中某個主節(jié)點(diǎn)將疑似下線節(jié)點(diǎn)標(biāo)記為下線狀態(tài)，并向集群廣播一條下線消息，當(dāng)下線節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的從節(jié)點(diǎn)接收到該消息時(shí)，則從從節(jié)點(diǎn)中選舉出一個節(jié)點(diǎn)作為主節(jié)點(diǎn)繼續(xù)對外提供服務(wù)。

四、Redis為什么變慢了

業(yè)務(wù)場景中，不知道大家是否碰到過 Redis 變慢的情況：

• 執(zhí)行 SET、DEL 命令耗時(shí)也很久；

• 偶現(xiàn)卡頓，之后又恢復(fù)正常了；

• 在某個時(shí)間點(diǎn)，突然開始變慢了。

原因分析

查看慢查詢，由于筆者本身機(jī)器沒有慢查詢，所以這里看到是空（實(shí)在尷尬，這里沒有可用的例子~~）

• 由于 Redis 在 IO 操作和對鍵值對的操作是單線程的，所以直接在客戶端 Redis-cli 上執(zhí)行的 Redis 命令有可能會導(dǎo)致操作延遲變大；

• 使用復(fù)雜的命令會讓 Redis的處理變慢，以及CPU過高，例如 SORT、SUNION、ZUNIONSTORE 聚合類命令（時(shí)間負(fù)責(zé)度O(N) ）；

• 查詢的數(shù)據(jù)量過大，使得更多時(shí)間花費(fèi)在數(shù)據(jù)協(xié)議的組裝和網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中；

• 大 key 查詢，比如對于一個很大的 hash、zset 等，這樣的對象對 Redis 的集群數(shù)據(jù)遷移帶來了很大的問題，因?yàn)樵诩涵h(huán)境下，如果某個 key 太大，會導(dǎo)致數(shù)據(jù)遷移卡頓；

• 另外在內(nèi)存分配上，如果一個 key 太大，那么當(dāng)它需要擴(kuò)容時(shí)，會一次性申請更大的一塊內(nèi)存，這也會導(dǎo)致卡頓。如果這個大 key 被刪除，內(nèi)存會一次性回收，卡頓現(xiàn)象會再一次產(chǎn)生。

• 集中過期，變慢的時(shí)間統(tǒng)一，所以業(yè)務(wù)中的 Key 過期時(shí)間盡量在統(tǒng)一的一個時(shí)間點(diǎn)加上一個隨機(jī)數(shù)時(shí)間;

• 內(nèi)存使用達(dá)到上限，當(dāng)內(nèi)存達(dá)到內(nèi)存上限的時(shí)候，就不許淘汰一些數(shù)據(jù)，這個時(shí)候也可能導(dǎo)致 Redis 查詢效率低；

• 碎片整理，Redis 在 4.0 版本后會自動整理碎片（由于內(nèi)存回收過程中存在大量的碎片空間，不整理會導(dǎo)致 Redis 的空間少量浪費(fèi)），而在整理碎片的過程中會消耗 CPU 的資源，從而影響了請求得到性能；

• 網(wǎng)絡(luò)帶寬，Redis 集群和業(yè)務(wù)混部，或者并發(fā)量過大以及每次返回的數(shù)據(jù)也很大，網(wǎng)卡帶寬跑滿的情況容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)阻塞；

• AOF 的頻率過高，由于 AOF 需要將全部的寫命令同步，如果同步的間隔比較短，也會影響到 Redis 的性能；

• Redis 提供了 flushdb 和 flushall 指令，用來清空數(shù)據(jù)庫，這也是導(dǎo)致 Redis 緩慢的操作。

五、Redis安全

默認(rèn)會監(jiān)聽 6379 端口，最好在 Redis 的配置文件中指定監(jiān)聽的 IP 地址，更進(jìn)一步還可以增加 Redis 的 ACL 訪問控制，對客戶指定群組，并限限制用戶對數(shù)據(jù)的讀寫權(quán)限。

訪問 Redis 盡量走公司代理，由于 Redis 本身不支持 SSL 的鏈接，所以走公司代理可以保證安全?？蛻舳说顷?Redis 必須設(shè)置 Auth 秘密登陸。

到此，關(guān)于“Redis 的原理和作用是什么”的學(xué)習(xí)就結(jié)束了，希望能夠解決大家的疑惑。理論與實(shí)踐的搭配能更好的幫助大家學(xué)習(xí)，快去試試吧！若想繼續(xù)學(xué)習(xí)更多相關(guān)知識，請繼續(xù)關(guān)注億速云網(wǎng)站，小編會繼續(xù)努力為大家?guī)砀鄬?shí)用的文章！