Redis - 介绍与使用场景

2023-01-31 00:00:00 数据 命令 消息 线程 队列

简介

Redis 的全称是 Remote Dictionary Server，是一个使用 C 语言编写的、开源的（BSD 许可）高性能非关系型（NoSQL）的键值对数据库。

Redis 的数据是存储在内存中的，所以读写速度非常快，被广泛应用于缓存方向，当然也有持久化数据库的用法。

优缺点

优点

  • 读写性能优异， Redis 能读的速度是 110000 次/s，写的速度是 81000 次/s
  • 数据类型丰富，有 String、List、Hash、Set、SortedSet 等
  • 单线程原子性，Redis 所有的操作都是原子性的，也支持多个操作合并后的原子执行
  • 丰富的特性，Redis 支持发布订阅、通知、key 过期等功能
  • 支持持久化，Redis 支持 RDB、AOF 等持久化方式
  • 高可用性，Redis 支持主从复制、哨兵模式、Cluster 等高可用方式

缺点

  • 数据库容量受物理内存的限制，不能用作海量数据的读写
  • Redis 难以支持在线扩容，修改配置文件之后重启 Redis，恢复磁盘上的数据耗费时间较久

使用场景

数据缓存

Redis 是高性能的内存数据库，因此，缓存是 Redis 常用的场景。Redis 作为缓存使用的时候，一般是采用先更新数据库，再删除缓存的 Cache Aside Pattern 策略。

整体的逻辑是：业务从 Redis 中读取数据，如果 Redis 中访问不到数据，然后读取数据库中的数据，将数据库中的数据缓存到 Redis 中；业务更新数据，直接修改数据库中的数据，然后将 Redis 中的缓存删除。

这种方案需要注意的就是：避免缓存击穿，数据的实时性相对较低。

限时业务

Redis 支持给 key 设置过期时间，客户端无法访问到过期的 key，利用这一特性可以运用在限时的优惠活动、手机验证码等业务场景。

计数器

Redis 的 INCRBY 命令可以实现原子性的递增，可以直接作为计数器存储和递增。尤其是，该命令在键不存在时会直接初始化值再执行 INCRBY 命令，执行成功后会直接返回计算增量之后的数值。

高并发的秒杀活动、分布式序列号的生成、限制手机发送短信次数、接口限制访问次数等需要计数的功能，都涉及到计数器的概念，尤其是分布式系统会涉及到分布式计数器。

分布式锁

先使用 SETNX 命令来争抢锁，结果返回 1 表示设置成功，抢到之后再用 EXPIRE 命令给锁加一个过期时间防止忘记释放锁。

从 Redis 的 2.6.12 版本开始，可以通过 SET 命令的复杂参数，将 SETNX 命令和 EXPIRE 命令合并成一条命令来使用：

  • EX second: 设置键的过期时间为 second 秒，使用 EX 选项效果等同于 SETEX 命令。
  • PX millisecond: 设置键的过期时间为 millisecond 毫秒，使用 PX 选项效果等同于 PSETEX 命令。
  • NX: 只在键不存在时，才对键进行设置操作，使用 NX 选项效果等同于 SETNX 命令。
  • XX: 只在键已经存在时，才对键进行设置操作。

同样的，使用 SET 命令操作成功之后会返回 OK，这样才表示抢到了锁。

为了避免分布式锁被误删，加锁时可以设置线程 ID 作为 value 值，删除时需要线程的线程 ID 和 Redis 存储的值一致才能够删除分布式锁，否则只能等待锁自动过期，整个删除过程使用事务的方式保证原子性。

排行榜功能

通过 Redis 的 SortedSet 可以实现排行榜功能。

比如说需要展示点赞排行榜，可以将用户 ID 作为 SortedSet 的 value 值，将用户的点赞数作为 SortedSet 的 score 值，SortedSet 提供的 ZRANGEBYSCORE 命令可以快速返回已排序的点赞排行榜。

延时队列

延时队列其实就是一个带有延迟功能的消息队列，Redis 可以通过 SortedSet 实现延时队列。

具体的实现如下：

  1. 将消息内容序列化成一个字符串作为 SortedSet 的 value 值，这个消息的到期处理时间作为 score，生产者调用 ZADD 命令生产消息，消费者可以使用 ZRANGEBYSCORE 命令获取一段时间之前的数据轮询处理；
  2. 通常使用多个线程轮询 SortedSet 获取到期的任务进行处理，多个线程是为了保障可用性，万一挂了一个线程还有其他线程可以继续处理；
  3. 因为有多个线程，所以需要考虑并发争抢任务，确保任务不能被多次执行，Redis 的 ZREM 命令是多线程争抢任务的关键，ZREM 命令会返回被成功移除的成员数量，可以通过 ZREM 命令来决定任务的属主；
  4. 同时也要注意一定要进行异常捕获，避免因为个别任务处理问题导致循环异常退出，同一个任务可能会被多个进程取到之后再使用 ZREM 命令进行争抢，那些没抢到的进程都是白取了一次任务，这是浪费；
  5. 通常可以使用 Lua 脚本的方式，将 ZRANGEBYSCORE 命令和 ZREM 命令一同挪到服务器端进行原子化操作，这样多个进程之间争抢任务时就不会出现这种浪费了。

异步队列

种方案 是使用 List 结构作为异步队列，RPUSH 命令生产消息，LPOP 命令消费消息。当使用 LPOP 命令没有得到消息的时候，需要适当 sleep 一会再重试，在这里 sleep 会导致消息的处理延迟增加。

如果不做 sleep 重试，改进的 第二种方案 是，使用 LPOP 命令的阻塞版本 BLPOP 命令，在 List 队列中没有消息的时候，它会阻塞直到消息到来，一旦数据到来，则立刻醒过来，消息的延迟几乎为零。但是如果线程一直阻塞，Redis 的客户端连接就成了闲置连接，闲置过久，服务器一般会主动断开连接，减少闲置资源占用。这个时候 BLPOP 命令会抛出异常来，代码中需要处理这样的异常。

除了 List 队列之外，第三种方案 是使用 Pub/Sub 订阅者模式实现一对多的消息队列。但是 Redis 的发布订阅功能是无状态的，对于发布者来说，无法知道发布的消息是否被订阅者接收到，在消费者下线的情况下，生产的消息会丢失。

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