Redis入门篇001_Redis简介与特性

Redis是一个功能强大、性能卓越的内存数据存储系统，它不仅可以用作缓存，还能用于会话存储、消息队列、排行榜等多种场景。其丰富的数据类型、灵活的持久化机制和高可用性特性，使其成为现代Web应用架构中不可或缺的组件。

1. Redis简介

1.1. Redis是什么？

Redis（Remote Dictionary Server，远程字典服务器）是一个开源的非关系型数据库，Redis 可以用作数据库、缓存、流引擎、消息代理等。

Redis将数据存储在内存中，以获得极高的读写性能，同时提供持久化功能将内存中的数据保存到磁盘上，以防止服务器重启时数据丢失。

可以把Redis想象成一个功能强大的内存缓存系统，它不仅能够快速读写数据，还支持丰富的数据结构和操作，是现代Web应用中不可或缺的组件。

Redis相关资源：

1.2. Redis的起源

2008年萨尔瓦多在开发一个进行网站实时统计软件项目（LLOOGG），项目的实时统计功能需要频繁的进行数据库的读写(对数据库的读写要求很高---数千次/s)，MySQL满足不了项目的需求，萨尔瓦多就使用C语言自定义了一个数据存储系统---Redis。考虑到最终限制数据库性能的瓶颈在于磁盘，他自己去实现一个具有列表结构的数据库的原型，把数据放在内存而不是磁盘，这样可以大大地提升列表的 push 和 pop 的效率。萨尔瓦多发现这种思路确实能解决这个问题，所以用 C 语言重写了这个内存数据库，并且加上了持久化的功能。2009 年，Redis 横空出世了。后来萨尔瓦多不满足仅仅在LLOOGG这个项目中使用redis，就对redis进行产品化并进行开源，以便让更多的⼈能够使用。

来源：Redis起源

从最开始只支持列表的数据库，到现在支持多种数据类型，并且提供了一系列的高级特性，Redis 已经成为一个在全世界被广泛使用的开源项目。

1.3. 为什么选择Redis？

摘自github：why choose redis

Redis is a popular choice for developers worldwide due to its combination of speed, flexibility, and rich feature set. Here's why people choose Redis for:

Redis 因其速度、灵活性和丰富的功能集而受到全球开发者的喜爱。以下是人们选择 Redis 的原因：

Performance: Because Redis keeps data primarily in memory and uses efficient data structures, it achieves extremely low latency (often sub-millisecond) for both read and write operations. This makes it ideal for applications demanding real-time responsiveness.
性能： 由于 Redis 主要将数据存储在内存中并采用高效的数据结构，因此在读写作中实现了极低的延迟（通常为亚毫秒）。这使得它非常适合需要实时响应的应用。
Flexibility: Redis isn't just a key-value store, it provides native support for a wide range of data structures and capabilities listed in What is Redis?

**灵活性：**Redis 不仅仅是一个键值存储，它还原生支持《什么是 Redis？》中列出的各种数据结构和功能。
Extensibility: Redis is not limited to the built-in data structures, it has a modules API that makes it possible to extend Redis functionality and rapidly implement new Redis commands

**可扩展性：**Redis 不仅限于内置数据结构，它还有一个模块 API，可以扩展 Redis 功能并快速实现新的 Redis 命令。
Simplicity: Redis has a simple, text-based protocol and well-documented command set

**简洁：**Redis 拥有简单的文本协议和文档完善的命令集。
Ubiquity: Redis is battle tested in production workloads at a massive scale. There is a good chance you indirectly interact with Redis several times daily

**普及性：**Redis 在大规模生产工作负载中经过了实战考验。你很可能每天多次间接与 Redis 互动。
Versatility : Redis is the de facto standard for use cases such as:
多样性 ：Redis 是以下用例的事实标准：
- Caching: quickly access frequently used data without needing to query your primary database
  缓存： 无需查询主数据库即可快速访问常用数据。
- Session management: read and write user session data without hurting user experience or slowing down every API call
  会话管理： 读写用户会话数据，同时不损害用户体验或减缓每次 API 调用。
- Querying, sorting, and analytics: perform deduplication, full text search, and secondary indexing on in-memory data as fast as possible
  查询、排序和分析： 尽可能快速地对内存数据进行重复删除、全文搜索和二次索引。
- Messaging and interservice communication: job queues, message brokering, pub/sub, and streams for communicating between services
  消息传递与服务间通信： 作业队列、消息代理、发布/订阅以及服务间通信流。
- Vector operations: Long-term and short-term LLM memory, RAG content retrieval, semantic caching, semantic routing, and vector similarity search
  向量运算： 长期和短期 LLM 记忆、RAG 内容检索、语义缓存、语义路由和向量相似性搜索。

In summary, Redis provides a powerful, fast, and flexible toolkit for solving a wide variety of data management challenges.

总之，Redis 提供了一套强大、快速且灵活的工具包，用于解决各种数据管理难题。

2. Redis的核心特性

2.1. 高性能

Redis的最大特点是其卓越的性能。由于数据存储在内存中，Redis的读写速度非常快，通常情况下每秒可以处理10万次以上的读写操作。根据官方测试数据，Redis在普通硬件上可以达到每秒约110,000次SET操作和每秒约81,000次GET操作。

这种高性能得益于以下因素：

数据存储在内存中，访问速度极快
单线程事件循环模型，避免了线程切换的开销
高效的数据结构设计
非阻塞I/O操作

传统 Redis：核心网络 I/O 和命令处理是单线程的

Redis 6.0+：引入了多线程来处理网络 I/O，但命令执行仍是单线程

2.2. 丰富的数据类型

Redis不仅仅是一个简单的键值存储系统，它支持多种数据结构，这使得它比传统的键值存储更加灵活和强大：

字符串（Strings）：最基本的类型，可以存储文本、数字或二进制数据（如图片）。
哈希（Hashes）：用于存储字段和值的映射，适合存储对象。
列表（Lists）：按插入顺序排序的字符串元素集合，可以从两端进行插入和删除操作。
集合（Sets）：无序的字符串集合，不允许重复元素，支持集合间的交、并、差运算。
有序集合（Sorted Sets）：类似于集合，但每个元素都关联一个分数，元素按分数排序。
位图（Bitmaps）：基于字符串的位操作，可以高效地处理大量布尔值。
超日志（HyperLogLogs）：用于估计集合中唯一元素的数量。
地理空间（Geospatial）：存储地理位置信息并支持位置查询。

这些也只是Redis支持的数据类型的一部分，另外还有Vector Set向量集、Stream流、JSON等等。可以参考官网：Redis Data Type

Redis 不仅限于内置数据结构，它还有一个模块 API，可以扩展 Redis 功能并快速实现新的 Redis 命令。

2.3. 持久化机制

虽然Redis是内存数据库，但它提供了多种持久化机制来确保数据的安全性：

RDB（Redis Database）：在指定的时间间隔内将内存中的数据集快照写入磁盘。这种机制适合备份，恢复速度较快，但可能丢失最后一次快照后的数据。
AOF（Append Only File）：记录每个写操作命令，当Redis重启时会重新执行这些命令来恢复数据。AOF提供了更好的数据安全性，但文件通常比RDB大，恢复速度较慢。
混合持久化：Redis 4.0引入的新机制，结合了RDB和AOF的优点，在AOF中使用RDB快照和追加写命令。

2.4. 复制与高可用

Redis支持主从复制（Master-Slave Replication），可以将一个Redis服务器的数据复制到多个从服务器。这种机制提供了以下好处：

数据冗余：实现数据的热备份
读写分离：主服务器处理写操作，从服务器处理读操作
高可用：当主服务器宕机时，可以快速切换到从服务器

此外，Redis还提供了Sentinel（哨兵）系统，用于监控Redis主从服务器的运行状态，并在主服务器宕机时自动进行故障转移。

2.5. 分片

Redis支持分片（Sharding）机制，可以将数据分布在多个Redis实例上，以提高系统的存储能力和处理能力。Redis Cluster是官方提供的分布式解决方案，支持自动分片和高可用性。

2.6. 丰富的功能

Redis还提供了一些高级功能，比如：

事务：支持简单的事务功能，可以将多个命令打包执行。
发布/订阅：提供发布/订阅模式，可以用于实现消息队列等功能。
Lua脚本：支持使用Lua脚本执行复杂的操作，减少网络往返次数。
键过期：支持为键设置过期时间，Redis会自动删除过期的键。
流水线：支持将多个命令打包发送，减少网络延迟的影响。

3. Redis的应用场景

下面是Redis的常用场景：

当然，Redis的应用场景远不止这些！

缓存系统

Redis最常用的应用场景是作为缓存系统。由于其高性能的读写能力，Redis可以显著提高Web应用的响应速度。通常将热点数据存储在Redis中，减少对后端数据库的访问压力。
会话存储

在分布式系统中，Redis常用于存储用户会话信息。多个应用服务器可以共享存储在Redis中的会话数据，实现用户状态的统一管理。
消息队列

Redis的列表和发布/订阅功能使其成为一个轻量级的消息队列系统，可以用于处理异步任务、实现应用间的解耦。
排行榜/计数器

Redis的有序集合特性使其非常适合实现排行榜功能。例如，可以使用ZADD命令将用户的分数添加到有序集合中，然后使用ZRANGE命令获取排名。
实时分析

Redis的高性能和丰富的数据结构使其适合用于实时数据分析，如统计网站访问次数、在线用户数等。

上面这些场景比较实际，Redis官网从更高层次的角度列举了一些Redis的主要使用场景：

Caching: Supports multiple eviction policies, key expiration, and hash-field expiration.
缓存： 支持多种驱逐策略、密钥过期和哈希字段过期。
Distributed Session Store: Offers flexible session data modeling (string, JSON, hash).
分布式会话存储： 提供灵活的会话数据建模（字符串、JSON、哈希）。
Data Structure Server: Provides low-level data structures (strings, lists, sets, hashes, sorted sets, JSON, etc.) with high-level semantics (counters, queues, leaderboards, rate limiters) and supports transactions & scripting.
数据结构服务器： 提供低层数据结构（字符串、列表、集合、哈希、排序集、JSON 等），并支持高级语义（计数器、队列、排行榜、速率限制器），并支持事务和脚本。
NoSQL Data Store: Key-value, document, and time series data storage.
NoSQL 数据存储： 键值、文档和时间序列数据存储。
Search and Query Engine: Indexing for hash/JSON documents, supporting vector search, full-text search, geospatial queries, ranking, and aggregations via Redis Query Engine.
搜索与查询引擎： 为哈希/JSON 文档提供索引，支持矢量搜索、全文搜索、地理空间查询、排名和通过 Redis 查询引擎进行聚合。
Event Store & Message Broker: Implements queues (lists), priority queues (sorted sets), event deduplication (sets), streams, and pub/sub with probabilistic stream processing capabilities.
活动商店与消息代理： 实现队列（列表）、优先队列（排序集合）、事件去重（集合）、流以及具有概率流处理能力的发布/订阅。
Vector Store for GenAI: Integrates with AI applications (e.g. LangGraph, mem0) for short-term memory, long-term memory, LLM response caching (semantic caching), and retrieval augmented generation (RAG).
生成式人工智能的向量存储器： 与人工智能应用（如 LangGraph、mem0）集成，用于短期记忆、长期记忆、LLM 响应缓存（语义缓存）和检索增强生成（RAG）。
Real-Time Analytics: Powers personalization, recommendations, fraud detection, and risk assessment.
实时分析： 具备个性化、推荐、欺诈检测和风险评估的能力。

4. Redis与其他数据库的比较

4.1. 与关系型数据库的比较

特性	Redis	关系型数据库
数据模型	键值对，多种数据结构	表格结构，行和列
性能	极高（内存存储）	中等（磁盘存储）
持久性	可选（RDB、AOF）	默认持久化
查询语言	简单命令	SQL
ACID支持	有限支持	完整支持
适用场景	缓存、会话存储	复杂查询、事务处理

4.2. 与Memcached的比较

特性	Redis	Memcached
数据类型	丰富的数据类型	简单的键值对
持久化	支持	不支持
多线程	单线程	多线程
内存效率	较高	非常高
功能丰富度	丰富	相对简单

传统 Redis：核心网络 I/O 和命令处理是单线程的

Redis 6.0+：引入了多线程来处理网络 I/O，但命令执行仍是单线程

5. Redis版本历史

Redis自2009年首次发布以来，经历了多个重要版本的迭代，每个版本都引入了新的功能和性能改进。以下是Redis发展过程中的一些重要版本及其变更：

5.1 Redis 1.0-2.0（2009-2010年）

Redis最初的几个版本奠定了其基础架构。2009年5月，第一个稳定版本发布，支持基本的字符串、列表、集合等数据类型。这个阶段Redis主要是一个简单的内存键值存储系统。

5.2 Redis 2.2（2011年9月）

这个版本引入了两个重要的功能：

Pub/Sub（发布/订阅）：允许客户端订阅频道并接收发布到这些频道的消息
配置动态重载：支持在不重启服务的情况下重新加载配置

5.3 Redis 2.4（2011年12月）

Redis 2.4版本主要关注稳定性和性能优化，同时改进了内存管理和持久化机制。

5.4 Redis 2.6（2012年12月）

这是Redis发展史上的一个重要里程碑，引入了：

Lua脚本支持：允许在服务器端执行Lua脚本，大大增强了Redis的编程能力
Bit Operations（位操作）：对字符串类型增加了位操作命令，如GETBIT、SETBIT等
Object Commands（对象命令）：新增了如OBJECT命令，用于检查内存使用情况和内部状态

5.5 Redis 2.8（2013年11月）

这个版本引入了几个关键功能：

Redis Sentinel（哨兵）：提供了高可用性解决方案，可以监控、通知、自动故障转移
Redis Replication优化：改进了主从复制机制，增加了部分重同步功能，减少网络中断时的全量同步
集群支持预览：虽然未完全完成，但为后续的集群功能奠定了基础

5.6 Redis 3.0（2015年4月）

这是Redis历史上最重要的版本之一，因为：

Redis Cluster（集群）：正式发布了Redis集群功能，提供了自动分片和高可用性
集群功能使得Redis可以水平扩展，支持更大的数据量和更高的并发访问

5.7 Redis 3.2（2016年5月）

这个版本增加了：

Geo Commands（地理空间命令）：新增了地理位置相关的命令，如GEOADD、GEORADIUS等
Redis on Windows：微软发布了Redis在Windows上的正式支持版本
ACLs（访问控制列表）：引入了更细粒度的访问控制机制

5.8 Redis 4.0（2017年7月）

Redis 4.0带来了重大改进：

LFU/LRU improvements（缓存淘汰策略改进）：提供了更精确的缓存淘汰算法
Redis Modules：允许开发者创建Redis模块，扩展Redis的功能
Active Memory Defragmentation（主动内存碎片整理）：减少了内存碎片，提高了内存使用效率
混合持久化：AOF重写时使用RDB格式，结合了RDB和AOF的优点

5.9 Redis 5.0（2018年7月）

Redis 5.0的主要特性是：

Streams（流数据类型）：引入了全新的Stream数据类型，支持消息队列功能，具有持久化和消费组等特性
Stream数据类型使得Redis成为一个功能强大的消息中间件

5.10 Redis 6.0（2020年5月）

这是Redis的重大更新，主要特性包括：

ACL（访问控制列表）：正式支持细粒度的用户权限管理
Client Side Caching（客户端缓存）：通过RESP3协议支持客户端缓存，减少不必要的网络请求
Threaded I/O（线程I/O）：引入了多线程I/O，显著提高了网络处理性能
Redis Cluster Proxy：为集群提供了代理支持

5.11 Redis 7.0（2022年4月）

Redis 7.0是最新的主要版本，引入了：

Functions（函数）：新的脚本功能，替代了传统的EVAL命令，提供了更好的性能和安全性
Command Tips：为命令提供了更详细的使用提示
ACL日志：记录ACL相关的操作日志
性能改进：在多个方面进行了性能优化