【数据库】Redis详解：内存数据库与缓存之王

什么是Redis？

Redis（Remote Dictionary Server）是一个开源的、基于内存的数据结构存储系统，可以用作数据库、缓存和消息代理。它支持多种数据结构，如字符串、哈希、列表、集合、有序集合等，具有极高的性能和丰富的功能。

核心特性

1. 内存存储

数据主要存储在内存中，读写速度极快
支持持久化到磁盘，保证数据安全
支持数据过期自动删除

2. 丰富的数据结构

String：字符串
Hash：哈希表
List：列表
Set：集合
Sorted Set：有序集合
Bitmap：位图
HyperLogLog：基数统计
Stream：流数据

3. 高性能

单线程模型，避免上下文切换
基于内存操作，读写性能极高
支持管道（pipeline）批量操作

4. 高可用

主从复制
Redis Sentinel（哨兵）
Redis Cluster（集群）

数据结构与操作

1. 字符串（String）

bash 复制代码

# 设置值
SET key "value"

# 获取值
GET key

# 设置带过期时间
SETEX key 60 "value"

# 数值操作
INCR counter
DECR counter
INCRBY counter 10

2. 哈希（Hash）

bash 复制代码

# 设置哈希字段
HSET user:1000 name "John"
HSET user:1000 email "john@example.com"
HMSET user:1000 name "John" email "john@example.com" age 30

# 获取哈希字段
HGET user:1000 name
HGETALL user:1000
HMGET user:1000 name email

# 哈希操作
HINCRBY user:1000 age 1
HLEN user:1000

3. 列表（List）

bash 复制代码

# 从左侧插入
LPUSH mylist "a"
LPUSH mylist "b"

# 从右侧插入
RPUSH mylist "c"

# 获取列表
LRANGE mylist 0 -1

# 弹出元素
LPOP mylist
RPOP mylist

# 列表长度
LLEN mylist

4. 集合（Set）

bash 复制代码

# 添加元素
SADD myset "a" "b" "c"

# 获取所有元素
SMEMBERS myset

# 检查元素是否存在
SISMEMBER myset "a"

# 获取集合大小
SCARD myset

# 随机弹出元素
SPOP myset

5. 有序集合（Sorted Set）

bash 复制代码

# 添加元素
ZADD leaderboard 100 "Alice" 200 "Bob" 150 "Charlie"

# 获取排名
ZRANGE leaderboard 0 -1
ZREVRANGE leaderboard 0 -1

# 获取分数
ZSCORE leaderboard "Alice"

# 按分数范围获取
ZRANGEBYSCORE leaderboard 100 200

# 获取排名
ZRANK leaderboard "Alice"

高级数据结构

1. 位图（Bitmap）

bash 复制代码

# 设置位
SETBIT mybitmap 0 1
SETBIT mybitmap 1 0

# 获取位
GETBIT mybitmap 0

# 统计位数
BITCOUNT mybitmap

2. HyperLogLog

bash 复制代码

# 添加元素
PFADD visitors "user1" "user2" "user3"

# 获取基数
PFCOUNT visitors

# 合并
PFMERGE all_visitors visitors1 visitors2

3. 地理空间（Geo）

bash 复制代码

# 添加地理位置
GEOADD locations 13.361389 38.115556 "Palermo" 15.087269 37.502669 "Catania"

# 计算距离
GEODIST locations "Palermo" "Catania"

# 获取位置
GEOPOS locations "Palermo"

# 半径查询
GEORADIUS locations 15 37 100 km

事务

基本事务

bash 复制代码

# 开始事务
MULTI

# 命令入队
SET key1 "value1"
SET key2 "value2"
INCR counter

# 执行事务
EXEC

# 取消事务
DISCARD

乐观锁（WATCH）

bash 复制代码

# 监视键
WATCH mykey

# 检查并执行
MULTI
SET mykey "newvalue"
EXEC

发布订阅

发布者

bash 复制代码

# 发布消息
PUBLISH news "Hello subscribers!"

订阅者

bash 复制代码

# 订阅频道
SUBSCRIBE news

# 订阅多个频道
SUBSCRIBE news sports

# 模式订阅
PSUBSCRIBE news.*

持久化

1. RDB（快照）

bash 复制代码

# 配置文件
save 900 1      # 900秒内至少1个键被修改
save 300 10     # 300秒内至少10个键被修改
save 60 10000   # 60秒内至少10000个键被修改

# 手动保存
SAVE      # 同步保存
BGSAVE    # 异步保存

2. AOF（追加文件）

bash 复制代码

# 配置AOF
appendonly yes
appendfsync everysec    # 每秒同步一次

主从复制

配置主服务器

bash 复制代码

# 主服务器配置
port 6379

配置从服务器

bash 复制代码

# 从服务器配置
port 6380
slaveof 127.0.0.1 6379

查看复制状态

bash 复制代码

# 在主服务器上
INFO replication

# 在从服务器上
INFO replication

Redis Sentinel（哨兵）

配置哨兵

bash 复制代码

# sentinel.conf
sentinel monitor mymaster 127.0.0.1 6379 2
sentinel down-after-milliseconds mymaster 5000
sentinel failover-timeout mymaster 60000

启动哨兵

bash 复制代码

redis-sentinel sentinel.conf

Redis Cluster（集群）

集群配置

bash 复制代码

# 创建集群
redis-cli --cluster create 127.0.0.1:7000 127.0.0.1:7001 \
127.0.0.1:7002 127.0.0.1:7003 127.0.0.1:7004 127.0.0.1:7005 \
--cluster-replicas 1

集群操作

bash 复制代码

# 查看集群信息
CLUSTER INFO

# 查看节点信息
CLUSTER NODES

# 添加节点
redis-cli --cluster add-node 127.0.0.1:7006 127.0.0.1:7000

性能优化

1. 内存优化

bash 复制代码

# 设置最大内存
maxmemory 2gb

# 内存淘汰策略
maxmemory-policy allkeys-lru

2. 连接优化

bash 复制代码

# 最大连接数
maxclients 10000

# TCP backlog
tcp-backlog 511

3. 慢查询日志

bash 复制代码

# 启用慢查询
slowlog-log-slower-than 10000
slowlog-max-len 128

缓存应用

1. 缓存穿透

python 复制代码

# 使用布隆过滤器
import redis
r = redis.Redis()

def get_user(user_id):
    # 先检查布隆过滤器
    if not r.exists(f"user:{user_id}"):
        return None
    
    # 从缓存获取
    user = r.get(f"user:{user_id}")
    if user:
        return json.loads(user)
    
    # 从数据库获取
    user = db.get_user(user_id)
    if user:
        r.setex(f"user:{user_id}", 3600, json.dumps(user))
    else:
        # 缓存空值，防止穿透
        r.setex(f"user:{user_id}", 300, "null")
    
    return user

2. 缓存雪崩

python 复制代码

# 随机过期时间
def set_cache(key, value, base_expire=3600):
    # 添加随机偏移，避免同时过期
    expire = base_expire + random.randint(-600, 600)
    r.setex(key, expire, value)

3. 缓存击穿

python 复制代码

# 使用互斥锁
def get_hot_data(key):
    value = r.get(key)
    if value:
        return value
    
    # 获取锁
    lock_key = f"lock:{key}"
    if r.set(lock_key, 1, nx=True, ex=5):
        try:
            # 从数据库获取数据
            value = db.get_data(key)
            r.setex(key, 3600, value)
            return value
        finally:
            r.delete(lock_key)
    else:
        # 等待并重试
        time.sleep(0.1)
        return r.get(key)

与Python集成

使用redis-py

python 复制代码

import redis
import json

# 连接Redis
r = redis.Redis(host='localhost', port=6379, db=0)

# 字符串操作
r.set('name', 'Alice')
name = r.get('name')

# 哈希操作
r.hset('user:1000', mapping={
    'name': 'John',
    'email': 'john@example.com',
    'age': 30
})
user = r.hgetall('user:1000')

# 列表操作
r.lpush('tasks', 'task1', 'task2')
tasks = r.lrange('tasks', 0, -1)

# 集合操作
r.sadd('tags', 'python', 'redis', 'database')
tags = r.smembers('tags')

# 有序集合
r.zadd('scores', {'Alice': 100, 'Bob': 200})
top_scores = r.zrevrange('scores', 0, 10, withscores=True)

使用Redis作为缓存

python 复制代码

import redis
from functools import wraps

r = redis.Redis()

def cache_decorator(expire_time=3600):
    def decorator(func):
        @wraps(func)
        def wrapper(*args, **kwargs):
            cache_key = f"{func.__name__}:{str(args)}:{str(kwargs)}"
            cached = r.get(cache_key)
            
            if cached:
                return json.loads(cached)
            
            result = func(*args, **kwargs)
            r.setex(cache_key, expire_time, json.dumps(result))
            return result
        return wrapper
    return decorator

@cache_decorator(expire_time=1800)
def get_user_profile(user_id):
    # 模拟数据库查询
    return {"id": user_id, "name": "John", "email": "john@example.com"}

常见应用场景

1. 缓存系统

页面缓存
数据缓存
会话缓存

2. 计数器

网站访问量
点赞数
库存管理

3. 消息队列

任务队列
发布订阅
实时消息

4. 排行榜

游戏排行榜
热门文章
用户积分

5. 实时系统

在线用户
实时统计
地理位置

监控与管理

1. 查看统计信息

bash 复制代码

# 查看服务器信息
INFO server

# 查看内存使用
INFO memory

# 查看客户端连接
INFO clients

# 查看统计信息
INFO stats

2. 慢查询分析

bash 复制代码

# 查看慢查询
SLOWLOG GET 10

# 清空慢查询日志
SLOWLOG RESET

3. 内存分析

bash 复制代码

# 查看内存使用
MEMORY USAGE key

# 查看键的编码
OBJECT ENCODING key

优缺点分析

优点

极高的性能
丰富的数据结构
支持持久化
高可用性
易于扩展

缺点

内存消耗大
单线程模型
不支持复杂查询
数据一致性较弱

学习资源推荐

官方文档：https://redis.io/documentation
在线教程：Redis Tutorial
书籍：《Redis设计与实现》、《Redis实战》
实践项目：缓存系统、实时排行榜、消息队列

总结

Redis作为内存数据库的王者，凭借其极高的性能和丰富的数据结构，在现代应用架构中扮演着重要角色。无论是作为缓存、消息队列还是实时数据处理系统，Redis都能提供出色的性能表现。对于需要高性能、低延迟的应用场景，Redis是不可或缺的技术选择。