Redis 总体介绍

Redis 是 key-value 型的 memory 缓存中间件，相信大部分程序员都在项目中使用过它。我们也可以利用 memory 来实现缓存，只是使用 redis 的话，可以将缓存功能统一到一个组件里，方便后续重用拓展。

在底层上， redis 使用了 IO 多路复用技术，像 select、epoll 等。能较好的保障吞吐量。而且 redis 采用了单线程处理请求，避免了线程切换和锁竞争锁带来的额外消耗。

加上 redis 本身也对一些数据结构进行了优化设计，所以 redis 的性能非常好，官方给出的测试报告是单机可以支持约 10w/s 的 QPS。

Redis 通信协议

redis 是基于 tcp 长连接的 C/S 架构，采用的是文本序列化协议，并且和 http 一样，也是一个请求一个响应，客户端接到响应后再继续请求。

当然，也可以将多次请求发送过去，然后一次响应回所有执行结果，这就是所谓的管道 pipeline 技术。

redis 的文本序列化协议比较简单，通过一些规范格式去解析文本，大概如下：

• \r\n 表示解析结束
• 简单字符串，以“+”开头
• 错误 Errors，以“-”开头
• 整数类型，以“:”开头
• 大字符串类型，以“$”开头
• 数组类型，以“*”开头

例如，客户端向服务器发送命令：

SET key value

将被解析为：

*3\r\n$3\r\nSET\r\n$3\r\nkey\r\n$5\r\nvalue\r\n

上面的命令可以看成：

*<参数数量> CR LF

$<参数 1 的字节数量> CR LF
<参数 1 的数据> CR LF
...
$<参数 N 的字节数量> CR LF
<参数 N 的数据> CR LF

而服务器的回复则有很多类型，一般由响应数据的第一个字节决定：

状态回复（status reply）的第一个字节是 "+"

错误回复（error reply）的第一个字节是 "-"

整数回复（integer reply）的第一个字节是 ":"

批量回复（bulk reply）的第一个字节是 "$"

多条批量回复（multi bulk reply）的第一个字节是 "*"

例如，响应回来的状态回复如下：

+OK

redis 的数据结构

为了让开发者能更好的使用缓存，redis 支持了 5 种数据类型。底层是由 6 种数据结构组成的。

5 种数据类型

字符串：字符串类型是 redis 里最基础的数据类型，像 set name "hello" 操作后，在 get name 时返回的就是字符串，而且还支持了对位的操作。一般一个键能存储 512MB 的值。

hash：哈希类型主要是用来存储对象的，一般我们如果有一整个对象要存储，里面包含了多个字段，则可以使用 hash 来存储，因为 redis 提供了对这些字段的提取和设置，减少了开发者对它的二次处理，比如序列化反序列化操作。

list：一个简单的字符串列表，它允许我们从两端进行 push，pop 操作,还支持一定范围的列表元素。可以看成是双向列表。

set：集合是一个不重复值的组合，为我们提供了交集、并集、差集等操作，像找出共同好友这种需求就可以使用集合操作了。

sorted set：有序集合，在上面集合的基础上提供了排序功能，通过一个 score 属性来进行排序。

6 种底层数据结构

上面的数据类型实际上在 redis 底层是有对应的数据结构来实现的，都是 redis 经过精心设计的，能很好的提高处理效率。

简单动态字符串：redis 是使用 C 语言写的，而 C 语言里的字符串类型比较原始，比如使用 \0 作为字符结束符。所以 redis 实现了属于自己的字符串类型，比如字符串长度，预先分配内存，动态拓展等特点，也保证了处理安全性。

链表：一个双端链表，有 prev，next 指针去获取前后节点，带有 len 属性，能保存多种类型的值。

字典：通过哈希算法来实现 key-value 的映射操作，采用链地址法解决了 hash 冲突，一般时间复杂度能达到 O(1)。

跳跃表：一个多层有序链表，每一层都是对下面一层的有序提取，能降低搜索次数，有点像有序二叉树的搜索一样。

整数集合：一个有序的整数集合，不会有重复元素。

压缩列表(ziplist)：经过特殊编码的一块连续内存，能有效的节省内存。

快速列表：将 ziplist 组织为了一个双向链表，由于 ziplist 的内部连续性，能降低链表的内存碎片问题，提高内存利用率。

redis 的淘汰策略

redis 的淘汰策略主要是 LRU 淘汰、TTL 淘汰和随机淘汰这三种机制。

• LRU 淘汰：最近最少使用的淘汰掉
• TTL 淘汰：越早过期的越先淘汰掉。
• 随机淘汰：采用随机算法淘汰掉。

由于 redis 可以对键设置过期时间，也可以不设置，所以淘汰策略还得再细分：

• volatile-lru：针对设置了过期时间的 key 执行 LRU 淘汰策略，没有设置过期时间的不会被淘汰。
• volatile-ttl：只针对设置了过期时间的 key 执行 TTL 淘汰。
• volatile-random：只针对设置了过期时间的 key 执行随机淘汰。
• allkeys-lru：针对所有键进行 LRU 淘汰策略
• allkeys-random：针对所有键进行随机淘汰策略
• no-enviction：不执行淘汰策略，如果有写入操作，则报错；读请求可以继续进行。

在 Redis 的配置文件 redis.conf 里我们可以进行淘汰策略的设置：

# 数据达到多大后执行淘汰策略
maxmemory 300mb

# 淘汰策略的设置
maxmemory-policy volatile-lru

Redis 使用场景

Redis 的使用场景有很多，最常用的莫过于数据缓存了。但由于它提供了多种数据类型，因此我们还可以进行其他场景的开发，比如：

• 排行榜：前面提到过有序集合（sorted set），由于每次写入都会进行排序，而且不含重复值，所以我们可以将用户的唯一标识，比如 userId 作为 key，分数作为 score，然后就可以进行 ZADD 操作，以得到排行榜。
• 签到：签到往往只有 2 种状态，已签到和未签到。这就跟 0 和 1 一样，所以 redis 的 setbit、getbit 这种对位的操作就适合签到场景。
• 计数：redis 是单线程操作，这种计数功能，比如点赞数、粉丝数的操作可以交给 redis 以避免并发竞争问题。当然，也得考虑持久化问题。

关于分布式锁

有的时候我们可能会使用 redis 作为分布式锁的辅助使用，通过对 redis 操作响应以判断当前是否可以获取到锁。

不过这样的解决方案会有单节点的瓶颈，如果 redis 宕机了，就会导致锁的不可用。

有的朋友可能会说 redis 也有它的高可用方案。但实际上 redis 的高可用方案还是不适合分布式锁的应用，会有多节点同时获取到锁的风险。

如果真的需要比较严谨的分布式锁，还是得使用 zookeeper 或 etcd等分布式协调方案，能保证强一致性。

Redis 使用注意点

缓存雪崩和穿透

Redis 通过缓存冗余的数据，为我们的程序提供了高性能的保障。但需要注意的是一旦缓存失效，那么就会有大量的请求过来，压垮系统，这就是缓存雪崩。

除了缓存雪崩，还有缓存穿透的可能。比如每次访问不一样的数据，则请求还是会落到后方。

为了防止缓存雪崩，我们可以对请求做控制，比如加入到消息队列，慢慢消化它；又或者直接开启限流功能，将流量控制在合理的范围内。

而针对缓存穿透，我们可以建立黑白名单，将一些恶意请求拎出来，然后直接拒绝掉。如果是正常的请求，那可以将筛选出来的结果也暂时缓存起来，即使得到的值是 NULL 值。

数据并发问题

由于 Redis 是以组件形式存在，所以实际上我们的程序通信可以认为是分布式的了，也就是会有缓存和后端数据一致性的问题。

常见的做法是在有新数据到来时，将缓存 key 删除掉，等待下次的查询重新填补上缓存。

之所以在更新数据时不让 Redis 也做更新动作，是为了防止多个更新动作一起发生，可能由于网络原因，导致后更新的比前面更新的先一步达到 Redis， 这样就会跟原来的流程不一样了。所以只采取了删除动作，不做其他。

不过，就算是删除 key 这种方案也有一定概率跟上面的情况一样，真的要严谨的话，一般会设置定时过期时间，让数据最多在这段时间不一致。

总结

Redis 的使用很简单，但实际上涉及的知识挺多的，特别需要注意它的并发数据一致问题。只有了解 Redis 越多，我们才能更好的掌握它，更多细节大伙可以自行深入了解，希望本文能帮到大家，谢谢！