相关公开课： 《Redis 从入门到实践》

讲师简介：

Jim —— 葡萄城 LeySer 项目组架构师，十余年后端开发经验，对于数据库调优、高并发后台技术有着丰富的实战经验，个人主要研究方向为CICD、微服务开发等领域。

本期技术分享，我们将从“Redis入门”开始，步步深入，通过线上直播的方式，为您解读 Redis 的应用场景和实践案例，为您避免在开发过程中可能会踩到的“坑”。

线上直播地址：https://live.vhall.com/661463644

课程简介：

  • Redis概述
  • 数据类型及主要特性
  • Redis中常见问题（穿透、雪崩）
  • Redis协议
  • 项目开发经验分享

Redis是什么?

Redis是一个使用ANSI C编写的开源、包含多种数据结构、支持网络、基于内存、可选持久性的键值对存储数据库，其特性如下：

  • Remote Dictionary Server
  • key-value存储系统
  • 开源的使用ANSI C语言编写、遵守BSD协议、支持网络、可基于内存亦可持久化的日志型、Key-Value数据库，并提供多种语言的API
  • NoSQL

相比于其他数据库类型，Redis具备的特点是：

  • C/S通讯模型
  • 单进程单线程模型
  • 丰富的数据类型
  • 操作具有原子性
  • 持久化
  • 高并发读写
  • 支持lua脚本

哪些大厂在使用Redis？

  • github
  • twitter
  • 微博
  • Stack Overflow
  • 阿里巴巴
  • 百度
  • 美团
  • 搜狐

Redis的应用场景有哪些？

Redis 的应用场景包括：缓存系统（“热点”数据：高频读、低频写）、计数器、消息队列系统、排行榜、社交网络和实时系统。

什么是NoSQL型数据库

市面上类似于Redis，同样是NoSQL型的数据库有很多，如下图所示，除了Redis，还有MemCache、Cassadra和Mongo。下面，我们就分别对这几个数据库做一下简要的介绍：

Memcache：这是一个和Redis非常相似的数据库，但是它的数据类型没有Redis丰富。Memcache由LiveJournal的Brad Fitzpatrick开发，作为一套分布式的高速缓存系统，被许多网站使用以提升网站的访问速度，对于一些大型的、需要频繁访问数据库的网站访问速度的提升效果十分显著。

Apache Cassandra：（社区内一般简称为C*）这是一套开源分布式NoSQL数据库系统。它最初由Facebook开发，用于储存收件箱等简单格式数据，集Google BigTable的数据模型与Amazon Dynamo的完全分布式架构于一身。Facebook于2008将 Cassandra 开源，由于其良好的可扩展性和性能，被 Apple、Comcast、Instagram、Spotify、eBay、Rackspace、Netflix等知名网站所采用，成为了一种流行的分布式结构化数据存储方案。

MongoDB：是一个基于分布式文件存储、面向文档的NoSQL数据库，由C++编写，旨在为WEB应用提供可扩展的高性能数据存储解决方案。MongoDB是一个介于关系数据库和非关系数据库之间的产品，是非关系数据库当中功能最丰富，最像关系型数据库的，它支持的数据结构非常松散，是一种类似json的BSON格式。

NoSQL数据库产生的原因

随着互联网技术的不断发展，各种类型的应用层出不穷，这导致在当今云计算、大数据盛行的时代，对性能有了更多的需求，主要体现在以下四个方面：

  1. 低延迟的读写速度：应用快速地反应能极大地提升用户的满意度

  2. 支撑海量的数据和流量：对于搜索这样大型应用而言，需要利用PB级别的数据和能应对百万级的流量

  3. 大规模集群的管理：系统管理员希望分布式应用能更简单的部署和管理

  4. 庞大运营成本的考量：IT部门希望在硬件成本、软件成本和人力成本能够有大幅度地降低

什么是NewSQL数据库

基于以上考量，对海量数据有着高速读取能力的NoSQL型数据库就此诞生。然而，NoSQL型数据库也有自己的短板：它对ACID事务方面的支持比较弱，这决定了它所适用的场景都比较具体。

为同时满足事务处理、复杂查询和高速读取的需求场景，将SQL的ACID与NoSQL的可扩展性和高性能相结合，融合了关系型数据库和NoSQL数据库的全新的数据库范式——NewSQL数据库出现了。

NewSQL 数据库是各种可扩展/高性能数据库的统称，这类数据库不仅具有NoSQL对海量数据的存储管理能力，还保持了传统数据库支持ACID和SQL等特性。

Redis的数据类型及主要特性

Redis提供的数据类型主要分为5种自有类型和一种自定义类型，这5种自有类型包括：String类型、哈希类型、列表类型、集合类型和顺序集合类型。

String类型：

它是一个二进制安全的字符串，意味着它不仅能够存储字符串、还能存储图片、视频等多种类型, 最大长度支持512M。

对每种数据类型，Redis都提供了丰富的操作命令，如：

  • GET/MGET
  • SET/SETEX/MSET/MSETNX
  • INCR/DECR
  • GETSET
  • DEL

关于上述命令的具体操作，Jim 会在公开课上为大家演示，欢迎点击观看。

哈希类型：

该类型是由field和关联的value组成的map。其中，field和value都是字符串类型的。

Hash的操作命令如下：

  • HGET/HMGET/HGETALL
  • HSET/HMSET/HSETNX
  • HEXISTS/HLEN
  • HKEYS/HDEL
  • HVALS

关于上述命令的具体操作，Jim 也会在公开课上为大家演示，欢迎点击观看。

列表类型：

该类型是一个插入顺序排序的字符串元素集合, 基于双链表实现。

List的操作命令如下：

  • LPUSH/LPUSHX/LPOP/RPUSH/RPUSHX/RPOP/LINSERT/LSET
  • LINDEX/LRANGE
  • LLEN/LTRIM

同样，这里也会有Demo演示，欢迎点击观看。

集合类型：

Set类型是一种无顺序集合, 它和List类型最大的区别是：集合中的元素没有顺序, 且元素是唯一的。

Set类型的底层是通过哈希表实现的，其操作命令为：

  • SADD/SPOP/SMOVE/SCARD
  • SINTER/SDIFF/SDIFFSTORE/SUNION

Set类型主要应用于：在某些场景，如社交场景中，通过交集、并集和差集运算，通过Set类型可以非常方便地查找共同好友、共同关注和共同偏好等社交关系。

顺序集合类型：

ZSet是一种有序集合类型，每个元素都会关联一个double类型的分数权值，通过这个权值来为集合中的成员进行从小到大的排序。与Set类型一样，其底层也是通过哈希表实现的。

ZSet命令：

  • ZADD/ZPOP/ZMOVE/ZCARD/ZCOUNT
  • ZINTER/ZDIFF/ZDIFFSTORE/ZUNION

以上就是Redis的数据类型部分，欢迎预约公开课，查看命令演示。

Redis的数据结构

Redis的数据结构如下图所示：

图片包含 文字 描述已自动生成

关于上表中的部分释义：

  1. 压缩列表是列表键和哈希键的底层实现之一。当一个列表键只包含少量列表项，并且每个列表项要么就是小整数，要么就是长度比较短的字符串，Redis就会使用压缩列表来做列表键的底层实现

  2. 整数集合是集合键的底层实现之一，当一个集合只包含整数值元素，并且这个集合的元素数量不多时，Redis就会使用整数集合作为集合键的底层实现

如下是定义一个Struct数据结构的例子：

简单动态字符串SDS (Simple Dynamic String)

基于C语言中传统字符串的缺陷，Redis自己构建了一种名为简单动态字符串的抽象类型，简称SDS，其结构如下：

SDS几乎贯穿了Redis的所有数据结构，应用十分广泛。

SDS的特点

和C字符串相比，SDS的特点如下：

  1. 常数复杂度获取字符串长度

    Redis中利用SDS字符串的len属性可以直接获取到所保存的字符串的长度，直接将获取字符串长度所需的复杂度从C字符串的O(N)降低到了O(1)。

  2. 减少修改字符串时导致的内存重新分配次数

    通过C字符串的特性，我们知道对于一个包含了N个字符的C字符串来说，其底层实现总是N+1个字符长的数组（额外一个空字符结尾），那么如果这个时候需要对字符串进行修改，程序就需要提前对这个C字符串数组进行一次内存重分配（可能是扩展或者释放），而内存重分配就意味着是一个耗时的操作

    Redis巧妙的使用了SDS避免了C字符串的缺陷。在SDS中，buf数组的长度不一定就是字符串的字符数量加一，buf数组里面可以包含未使用的字节，而这些未使用的字节由free属性记录。

与此同时，SDS采用了空间预分配的策略，避免C字符串每一次修改时都需要进行内存重分配的耗时操作，将内存重分配从原来的每修改N次就分配N次——>降低到了修改N次最多分配N次。

如下是Redis对SDS的简单定义：

Redis特性1：事务

  • 命令序列化，按顺序执行
  • 原子性
  • 三阶段: 开始事务 - 命令入队 - 执行事务
  • 命令：MULTI/EXEC/DISCARD

事务对于Redis来说，是非常重要的功能特性之一，具体的Demo会在本期公开课中为大家演示，欢迎点击查看。

Redis特性2：发布订阅(Pub/Sub)

  • Pub/sub是一种消息通讯模式
  • Pub发送消息, Sub接受消息
  • Redis客户端可以订阅任意数量的频道
  • “fire and forgot”, 发送即遗忘
  • 命令：Publish/Subscribe/Psubscribe/UnSub

本期公开课，Jim将会演示：消息发布订阅和 Redis事件监听订阅这两个Demo，欢迎大家提前预约：https://live.vhall.com/661463644

Redis特性3：Stream

  • Redis 5.0新增
  • 等待消费
  • 消费组(组内竞争)
  • 消费历史数据
  • FIFO

以上就是Redis的基本概念，下面我们将介绍在开发过程中可能会踩到的“坑”。

Redis常见问题解析：击穿

概念：在Redis获取某一key时, 由于key不存在, 而必须向DB发起一次请求的行为, 称为“Redis击穿”。

引发击穿的原因：

  • 第一次访问
  • 恶意访问不存在的key
  • Key过期

合理的规避方案：

  • 服务器启动时, 提前写入
  • 规范key的命名, 通过中间件拦截
  • 对某些高频访问的Key，设置合理的TTL或永不过期

Redis常见问题解析：雪崩

概念：Redis缓存层由于某种原因宕机后，所有的请求会涌向存储层，短时间内的高并发请求可能会导致存储层挂机，称之为“Redis雪崩”。

合理的规避方案：

  • 使用Redis集群
  • 限流

Redis在产品开发中的应用实践

产品背景

  • 后端采用nodeJS
  • 使用Azure的Redis服务

  • Redis的使用场景

    • token缓存, 用于令牌验证
    • IP白名单

碰到的问题

  • “网络抖动”或者Redis服务异常导致Redis访问超时

  • Redis客户端驱动稳定性问题

    • 连接池 “Broken connection” 问题
    • JS的Promise引出的Redis重置问题

在“Redis产品开发中的应用实践”这部分中，Jim会实际演示他所在的项目组使用Redis时碰到的问题以及解决方案，对于刚接触Redis的同学来说，更具参考意义和学习价值，欢迎大家前来观看。

公开课地址：https://live.vhall.com/661463644

介绍完了Redis的基本概念和常见问题，下面我们来简单了解一下Redis的进阶知识。

进阶之Redis协议简介

Redis客户端通讯协议：RESP(Redis Serialization Protocol)，其特点是：

  • 简单
  • 解析速度快
  • 可读性好

Redis集群内部通讯协议：RECP(Redis Cluster Protocol ) ，其特点是：

  • 每一个node两个tcp 连接
  • 一个负责client-server通讯(P: 6379)
  • 一个负责node之间通讯(P: 10000 + 6379)

Redis协议支持的数据类型：

  • 简单字符(首字节: “+”)

“+OK\r\n”

  • 错误(首字节: “-”)

“-error msg\r\n”

  • 数字(首字节: “:”)

“:123\r\n”

  • 批量字符(首字节: “\$”)

“&hello\r\nWhoa re you\r\n”

  • 数组(首字节: “*”)

“*0\r\n”

“*-1\r\n”

如何自己实现Redis客户端驱动?

关于这部分内容，Jim给我们留了一个大大的悬念，将在他的公开课中为大家揭晓。

以上，就是本期公开课《Redis从入门到实践》的主要内容，更多演示案例和代码剖析，尽在公开课中为大家呈现，欢迎大家提前预约，届时收看。

公开课地址：https://live.vhall.com/661463644