Redis - 基本操作

背景信息

概念

Redis在内存中存储数据的中间件，用于作为数据库，数据缓存。主要应用于分布式系统中（因为单机系统可以将数据通过变量保存到内存中，而分布式系统中多个服务器无法直接共享内存中的变量，只能通过网络来同步数据）

特点

1. 使用键值对格式在内存中存储数据，属于非关系型数据库，Key都是String，Value可以是字符串，哈希表，列表，集合这样的数据结构
2. 可编程性：可以通过简单的交互式命令进行操作，也可使用一些脚本的方式进行批量操作
3. 可扩展性：Redis提供了一组API，可以在Redis原有功能的基础上使用（C、C++、RUST）编写扩展。比如让Redis支持更多的数据结构，以及支持更多的命令
4. 持久化：Redis不仅会将数据保存在内存中，还会在硬盘中保存一份备份数据。正常使用时，访问的都是内存中的数据，当服务器重启，内存中的数据丢失时。就会将硬盘中的数据加载到内存中，使Redis恢复到服务器重启之前的状态
5. 支持集群/主从复制：可以引入多台主机，部署多个Redis节点，每个Redis节点存储数据的一部分。Redis自身也支持主从复制，从节点相当于主节点的备份
6. 在网络角度上，使用了IO多路复用的方式
7. 使用单线程模型，减少了不必要的线程之间的竞争开销（因为Redis的核心功能都是一些简单的逻辑，主要是操作内存中的数据结构，不会吃很多CPU，所以使用单线程结构）

使用场景

1. 作为数据库：在广告搜索的业务中，由于对性能的高要求，所以会将需要检索的数据保存到Redis中
2. 作为Cache：将关系型数据库中经常访问的数据，保存到Redis中。这些经常访问的数据，足以满足绝大部分的业务场景
3. 会话保存：将用户登录信息保存到Redis中。解决在分布式应用服务器的情况下，同一用户的不同请求路由到不同服务器时，造成的登录信息不同步的问题

注意：

​ redis的快，是相对于MySQL这种关系型数据库的。如果和直接在内存中操作变量相比，那就是慢了，因为存在网络上的开销。也就是说，当目前的业务采用分布式架构，或者希望内存中的数据可以持久化保存，才推荐使用Redis。盲目使用反倒会适得其反

Redis客户端

Redis是一个客户端-服务器结构的程序（服务器本体负责存储和管理数据，用于使用客户端通过网络来访问和操作服务器中的数据）。客户端可以有一个，也可存在多个

1. 自带的命令行客户端

   redis -cli

2. 图形化界面的客户端

3. 基于redis的api自行开发客户端

通用命令

可以搭配任意一个数据结构来使用的命令

https://redis.io/docs/latest/commands

Keys

获取匹配的key，返回符合要求的key O(N)

Keys pattern

pattern：

1. ? 匹配任意一个字符
2. * 匹配0个或多个任意字符
3. abcd 只匹配a b c d其中一个
4. \^e 排除e的任意一个
5. a-c 只能匹配a b c

exists

判断某个key是否存在，返回key的个数 O(1)

exists key [key...]

del

删除指定的key ，返回删除key的个数 O(1)

del key [key...]

expire

为指定的key添加秒级的过期时间 返回1(成功) 0(失败) O(1)

expire key seconds

ttl

ttl key

获取指定key的过期时间，秒级。返回剩余过期时间，-1(没有过期时间)，-2(表示Key不存在)

pexpire/pttl

使用毫秒为单位，具体使用方法与expire和ttl相同

定时器

在某个时间达到之后，执行指定任务

1. 基于优先级队列/堆实现：队首元素为过期时间最早的元素，为定时器分配一个线程，让这个线程根据队首元素的过期时间来设置线程等待，避免频繁检查队首元素而造成CPU忙等。当新插入一个元素时，唤醒定时器进程，继续维护优先级队列

2. 基于时间轮实现：将时间划分为一个个的小段，具体大小根据实际需求来确定。每一小段时间挂着一段链表，表示要处理的事件

   

   每隔100ms，时间轮转动一次，开始处理下一个时间段的事件

key的过期策略

一个redis中存在多个key，这些key大部分存在过期时间，此时redis就需要通过某种方法来知道哪些key已经过期

不能直接遍历所有的key，因为这样会消耗大量时间；而且redis是单线程程序，在这段时间，只能进行遍历，无法对外提供服务。

1. 定期删除：每次抽取一部分，验证过期时间，保证这个抽取的过程足够快
2. 惰性删除：当某个key已经到了过期时间，暂时不删除。当这个key再次被访问时，进行删除，并返回nil

type

返回key对应的value的类型 O(1)

type key

数据类型与编码方式

数据类型

redis所有的key都是字符串，只有value的类型存在差别，这里讨论的也是value的类型

string

​ redis 的string类型就是直接按照二进制数据的方式进行存储，不会做任何的编码转化，存进去是什么编码，取出来就是什么编码。可以存储文本数据、整数、字符串、JSON、二进制数据（图片，视频）等等

set/get：

1. 不加nx/xx：key不存在则创建，存在则更新value
2. 当更新value的值时：value的数据类型可能发生改变，原有的ttl实现
3. 可以使用setnx、setex、psetex代替

mset/mget：

一次操作多组键值对

incr/incrby/decr/decrby/incrbyfloat：

1. incr/incrby/decr/decrby：对应的n必须为整数
2. incrbyfloat：对应的n可以为浮点数（redis内部使用string类型保存浮点数）
3. 当操作的key不存在时，会先创建key - 0的键值对，然后对其进行操作

append：

在key对应的value后面追加字符串，如果key不存在，则相当于set语句

getrange/setrange：

1. start/end允许传负数，表示倒数第几个元素
2. setrange对于不存在的key也可以操作，会将offset前面的值都设为0X00

strlen：

返回字符串的长度，单位是字节。对应的value类型不对，报错

hash

1. hset/hget/hexists/hdel：

   

2. hkeys/hvals：

   

3. hgetall/hmget：

   

4. hlen/hsetnx/hincrby/hincrbyfloat：

   

List

相当于数组或者顺序表，列表中的数据是有序的（将元素顺序调换，得到的新的List与之前的List不等价），可重复的

阻塞操作：

1. 如果队列为空，则阻塞一段时间，在这段时间redis可以执行其他命令。期间如果有元素插入，则立刻返回。如果没有，则在阻塞时间之后，返回nil
2. 时间单位是秒，redis6之前，只能设置整数，redis6以及之后可以设置小数
3. 如果命令中设置了多个键，那么会从左往右进行遍历，一旦有一个键可以弹出元素，命令立刻返回
4. 如果多个客户端同时对一个键进行操作，那么最先执行该命令的客户端会得到弹出的元素

set

把一些有关联的数据，放到一起，作为集合。集合中元素是无序的，且不允许重复。一个集合中最多可以存储2^32-1个元素。元素只能是字符串类型

普通命令：

集合操作：集合的交集、并集、差集

zset

有序集合，且元素不能重复。为每个元素引入一个score属性，存储的是浮点数。依据元素对应的score进行排序

1. inf 可以表示无穷大，-inf表示无穷小
2. 分数相同则按照字典序排序
3. zpopmax 底层调用的通用删除函数（传下标），所以时间复杂度为O(log(N)*M)

阻塞操作：

1. 集合为空，则发生阻塞。若指定多个key，则删除第一个非空key的元素后，直接返回

集合操作：

编码方式

value的各个数据类型内部实现不一定是标准的哈希，列表...。redis 会对其实现进行优化

1. string
   1. raw：最基本的字符串编码方式，底层就是一个字符数组
   2. int：value为一个整数时，redis直接使用int来保存
   3. embstr：对短字符串进行的优化
2. hash
   1. hashtable：最基本的哈希表
   2. ziplist压缩列表：当哈希表的元素比较少时，会使用列表存储，以节省空间
3. list
   1. linkedlist：链表
   2. ziplist压缩列表：元素个数少时，使用压缩列表实现
   3. quicklist：从redis3.2开始，使用quicklist代替以上两种。quicklist是一个链表，每个元素是一个ziplist
4. set
   1. hashtable：哈希表
   2. intset：集合里存放的都是整数
5. zset
   1. skiplist跳表：每个节点上有多个指针域，巧妙搭配这些指针域的指向，就可以达到从跳表上查询元素的时间复杂度是O(logN)
   2. ziplist压缩列表

查看key对应的value的数据类型：

object encoding key

使用场景

String

1. 作为缓存：先查redis，如果存在则直接返回，不存在则查数据库，然后写入redis并返回。为防止redis内部的数据过多，可以设置过期时间

   

2. 计数器：视频网站的播放次数统计就可以使用redis实现，每播放一次视频redis对应的key自增一

   

3. 共享会话：使用redis同一管理session会话，以解决同一用户请求被路由到不同服务器时，session会话无法统一的问题

4. 手机验证码：为验证码设置过期时间，或者设置单位时间内验证码的请求次数

hash

1. 保存关系型数据库的信息

   

list

1. 作为数组这样的结构，用来存储多个元素。比如，每个班级作为一个列表，列表中存储学生id来实现学生和班级的绑定

2. 作为阻塞消息队列模型，实现类似"轮询"的效果

   

3. 分频道阻塞消息队列模型，一个频道只有一个消费者能够抢到元素

   

4. 模拟栈或队列

set

1. 使用set保存用户的标签，计算共同好友等集合操作

zset

1. 因为zset是天生有序并且数据唯一的。所以可以作为排行榜，分数实时变化，排名也可以实时变化

渐进式遍历

用于解决Keys pattern 命令导致的阻塞问题，渐进式遍历，可以指定每次遍历的key的个数

1. match：匹配语法与keys命令的语法相同
2. count：用于指定每次遍历的key个数。redis不一定完全按照count数去遍历，但是是一个邻近的值
3. type：获取指定value类型的Key

Redis的单线程模型

只使用一个线程去处理所有命令请求（不包括网络请求，网络请求仍使用多线程进行处理）。所有的客户端请求都串行执行，不用考虑线程安全问题

为什么效率高

这里的效率高是与关系型数据库比较

1. redis访问内存，且核心功能简单，只需保存对应的key和value或者根据key取出对应的value。没有复杂查询

2. redis采取单线程模型，避免一些不必要的线程竞争开销。因为redis每个基本操作都是短平快的，即使使用多线程提升也不大，反而会增加额外的开销

3. 网络IO多路复用：对于redis来说，同一时刻，只有少数的socket是活跃的。所以不需要为每个socket都安排一个线程来处理请求，可以使用一个线程来处理多个socket，这就是IO多路复用

   对于TCP协议，服务器每次要访问一个客户端，都需要给这个客户端安排一个socket。如果是网络游戏，或者直播平台这类频繁与服务器交互的场景，服务器会给每个socket安排单独的线程

数据库管理

redis默认提供了16个database，每个database之间相互隔离。默认使用0号database

redis客户端

Java客户端：

创建maven项目，添加Jedis依赖

JedisPool jedisPool=new JedisPool("tcp://jedis服务器地址");
try(Jedis jedis=jedisPool.getResource()){
		//在这里使用jedis敲redis代码
}

Spring客户端：

配置文件：

spring:
  data:
    redis:
      host: 127.0.0.1
      port: 8888

注入StringRedisTemplate：

@Autowired
private StringRedisTemplate redisTemplate;
//执行某些数据类型特有的命令，Spring对Redis命令作了进一步封装
//要先获取对应的对象，然后执行操作逻辑
 redisTemplate.opsForValue().set("key1","1");
//执行数据库命令以及通用命令
redisTemplate.execute((RedisConnection connection)->{
            connection.serverCommands().flushAll();
            return null;
      });