Redis学习笔记(一)数据类型和持久化机制

Redis学习笔记

学习笔记

  • Redis学习笔记
    • Redis是什么?
    • 存储的数据类型
      • 各个数据类型的使用场景
      • 数据类型的底层实现
        • 字典
        • 跳跃表
    • Redis的持久化机制
      • RDB持久化
      • AOF持久化
    • Redis与Memcached的区别

Redis是什么?

Redis是一个完全开源免费的非关系型(NoSQL)Key-Value内存数据库,Redis通常被认为是一个数据结构服务器,主要是可以存储键和五种不同类型的值之间的映射。
Redis 支持很多特性,例如将内存中的数据持久化到硬盘中,使用复制来扩展读性能,使用分片来扩展写性能。

  • Redis使用最佳方式是全部数据in-memory
  • Redis更多场景是作为Memcached的替代者来使用(与Memcached区别后面有介绍)
  • 当需要除key/value之外的更多数据类型支持时,使用Redis更合适
  • 当存储的数据不能被剔除时,使用Redis更合适

存储的数据类型

摘自(CS-NOTES)

数据类型 可以存储的值 操作
STRING 字符串、整数或者浮点数 对整个字符串或者字符串的其中一部分执行操作
对整数和浮点数执行自增或者自减操作
LIST 列表 从两端压入或者弹出元素
对单个或者多个元素进行修剪,只保留一个范围内的元素
SET 无序集合 添加、获取、移除单个元素
检查一个元素是否存在于集合中
计算交集、并集、差集
从集合里面随机获取元素
HASH 包含键值对的无序散列表 添加、获取、移除单个键值对
获取所有键值对
检查某个键是否存在
ZSET 有序集合 添加、获取、删除元素
根据分值范围或者成员来获取元素
计算一个键的排名

各个数据类型的使用场景

  1. String
    这个其实没啥好说的,最常规的set/get操作,value可以是String也可以是数字。一般做一些复杂的计数功能的缓存。
  2. hash
    这里value存放的是结构化的对象,比较方便的就是操作其中的某个字段。博主在做单点登录的时候,就是用这种数据结构存储用户信息,以cookieId作为key,设置30分钟为缓存过期时间,能很好的模拟出类似session的效果。
  3. list
    使用List的数据结构,可以做简单的消息队列的功能。另外还有一个就是,可以利用lrange命令,做基于redis的分页功能,性能极佳,用户体验好。本人还用一个场景,很合适—取行情信息。就也是个生产者和消费者的场景。LIST可以很好的完成排队,先进先出的原则。
  4. set
    因为set堆放的是一堆不重复值的集合。所以可以做全局去重的功能。为什么不用JVM自带的Set进行去重?因为我们的系统一般都是集群部署,使用JVM自带的Set,比较麻烦,难道为了一个做一个全局去重,再起一个公共服务,太麻烦了。
    另外,就是利用交集、并集、差集等操作,可以计算共同喜好,全部的喜好,自己独有的喜好等功能。
  5. sorted set
    sorted set多了一个权重参数score,集合中的元素能够按score进行排列。可以做排行榜应用,取TOP N操作。

数据类型的底层实现

详细可见一篇博客(详细介绍底层实现)

  1. String
    字符串对象底层数据结构实现为简单动态字符串(SDS)和直接存储,但其编码方式可以是int、raw或者embstr,区别在于内存结构的不同。
  2. LIST
    列表对象的编码可以是ziplist和linkedlist之一。
  3. SET
    集合对象的编码可以是intset和hashtable之一
  4. HASH
    哈希对象的编码可以是ziplist和hashtable之一。
  5. ZSET
    有序集合的编码可以是ziplist和skiplist之一。

字典

Redis的字典使用哈希表作为底层实现。
Redis字典所使用的的哈希表结构定义如下:

typedef struct dictht {
    // 哈希表数组
    dictEntry **table;
    // 哈希表大小
    unsigned long size;
    // 哈希表大小掩码,用于计算索引值
    // 总是等于 size - 1
    unsigned long sizemask;
    // 该哈希表已有节点的数量
    unsigned long used;
} dictht;

哈希表节点使用dictEntry结构表示,每个dictEntry结构都保存一个键值对:

typedef struct dictEntry {
    // 键
    void *key;
    // 值
    union {
        void *val;
        uint64_t u64;
        int64_t s64;
    } v;
    // 指向下个哈希表节点,形成链表
    struct dictEntry *next;
} dictEntry;

Redis的字典dict中包含两个哈希表dictht,这是为了方便进行rehash操作。在扩容时,将其中一个 dictht 上的键值对 rehash 到另一个 dictht 上面,完成之后释放空间并交换两个 dictht 的角色。

typedef struct dict {
    // 类型特定函数
    dictType *type;
    // 私有数据
    void *privdata;
    // 哈希表
    dictht ht[2];
    // rehash 索引
    // 当 rehash 不在进行时,值为 -1
    int rehashidx; /* rehashing not in progress if rehashidx == -1 */
} dict;

rehash 操作不是一次性完成,而是采用渐进方式,这是为了避免一次性执行过多的 rehash 操作给服务器带来过大的负担。

渐进式 rehash 通过记录 dict 的 rehashidx 完成,它从 0 开始,然后每执行一次 rehash 都会递增。例如在一次 rehash 中,要把 dict[0] rehash 到 dict[1],这一次会把 dict[0] 上 table[rehashidx] 的键值对 rehash 到 dict[1] 上,dict[0] 的 table[rehashidx] 指向 null,并令 rehashidx++。

在 rehash 期间,每次对字典执行添加、删除、查找或者更新操作时,都会执行一次渐进式 rehash。

采用渐进式 rehash 会导致字典中的数据分散在两个 dictht 上,因此对字典的查找操作也需要到对应的 dictht 去执行。
下面为一个渐进式rehash的实例(摘自《Redis设计与实现》第二版)
Redis学习笔记(一)数据类型和持久化机制_第1张图片
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跳跃表

跳跃表是有序集合的底层实现之一。
跳跃表是基于多指针有序链表实现的,可以看成多个有序链表。
Redis学习笔记(一)数据类型和持久化机制_第7张图片
在查找时,从上层指针开始查找,找到对应的区间之后再找到下一层去查找、下图演示了查找22的过程。
Redis学习笔记(一)数据类型和持久化机制_第8张图片
与红黑树等平衡树相比,跳跃表具有以下优点

  • 插入速度非常快速,因为不需要进行旋转等操作来维护平衡性;
  • 更容易实现;
  • 支持无锁操作。

Redis的持久化机制

Redis 是内存型数据库,为了保证数据在断电后不会丢失,需要将内存中的数据持久化到硬盘上。

RDB持久化

将某个时间点的所有数据都存放到硬盘上。
可以将快照复制到其它服务器从而创建具有相同数据的服务器副本。
如果系统发生故障,将会丢失最后一次创建快照之后的数据。
如果数据量很大,保存快照的时间会很长。
优缺点(转自博客)
优点

  • 一旦采用该方式,那么你的整个Redis数据库将只包含一个文件,这样非常方便进行备份。比如你可能打算没1天归档一些数据。
  • 方便备份,我们可以很容易的将一个一个RDB文件移动到其他的存储介质上
  • RDB 在恢复大数据集时的速度比 AOF 的恢复速度要快。
  • RDB 可以最大化 Redis 的性能:父进程在保存 RDB 文件时唯一要做的就是 fork
    出一个子进程,然后这个子进程就会处理接下来的所有保存工作,父进程无须执行任何磁盘 I/O 操作。

缺点

  • 如果你需要尽量避免在服务器故障时丢失数据,那么 RDB 不适合你。 虽然 Redis 允许你设置不同的保存点(save point)来控制保存 RDB 文件的频率, 但是, 因为RDB 文件需要保存整个数据集的状态, 所以它并不是一个轻松的操作。 因此你可能会至少 5 分钟才保存一次 RDB 文件。 在这种情况下, 一旦发生故障停机, 你就可能会丢失好几分钟的数据。
  • 每次保存 RDB 的时候,Redis 都要 fork() 出一个子进程,并由子进程来进行实际的持久化工作。 在数据集比较庞大时, fork() 可能会非常耗时,造成服务器在某某毫秒内停止处理客户端; 如果数据集非常巨大,并且 CPU 时间非常紧张的话,那么这种停止时间甚至可能会长达整整一秒。 虽然 AOF 重写也需要进行 fork() ,但无论 AOF 重写的执行间隔有多长,数据的耐久性都不会有任何损失。

AOF持久化

AOF持久化以日志的形式记录服务器所处理的每一个写、删除操作,查询操作不会记录,以文本的方式记录,可以打开文件看到详细的操作记录。所以他是以增量的方式来进行持久化的(也就是说他是一点点的进行持久化的,不是一下子把所有数据都进行记录下来的),其实最终记录的就是这种的指令。
使用 AOF 持久化需要设置同步选项,从而确保写命令同步到磁盘文件上的时机。这是因为对文件进行写入并不会马上将内容同步到磁盘上,而是先存储到缓冲区,然后由操作系统决定什么时候同步到磁盘。有以下同步选项:

选项 同步频率
always 每个写命令都同步
everysec 每秒同步一次
no 让操作系统来决定何时同步

优缺点(转自博客)
优点:

  • 使用 AOF 持久化会让 Redis 变得非常耐久(much more durable):你可以设置不同的 fsync 策略,比如无fsync ,每秒钟一次 fsync ,或者每次执行写入命令时 fsync 。 AOF 的默认策略为每秒钟 fsync一次,在这种配置下,Redis 仍然可以保持良好的性能,并且就算发生故障停机,也最多只会丢失一秒钟的数据( fsync会在后台线程执行,所以主线程可以继续努力地处理命令请求)。
  • AOF 文件是一个只进行追加操作的日志文件(append only log), 因此对 AOF 文件的写入不需要进行 seek,即使日志因为某些原因而包含了未写入完整的命令(比如写入时磁盘已满,写入中途停机,等等,redis-check-aof工具也可以轻易地修复这种问题。
    Redis 可以在 AOF 文件体积变得过大时,自动地在后台对 AOF 进行重写: 重写后的新 AOF 文件包含了恢复当前数据集所需的最小命令集合。 整个重写操作是绝对安全的,因为 Redis 在创建新 AOF 文件的过程中,会继续将命令追加到现有的 AOF 文件里面,即使重写过程中发生停机,现有的 AOF 文件也不会丢失。 而一旦新 AOF 文件创建完毕,Redis 就会从旧 AOF 文件切换到新 AOF 文件,并开始对新 AOF 文件进行追加操作。
  • AOF 文件有序地保存了对数据库执行的所有写入操作, 这些写入操作以 Redis 协议的格式保存, 因此 AOF 文件的内容非常容易被人读懂, 对文件进行分析(parse)也很轻松。 导出(export) AOF 文件也非常简单: 举个例子, 如果你不小心执行了 FLUSHALL 命令, 但只要 AOF 文件未被重写, 那么只要停止服务器, 移除 AOF 文件末尾的 FLUSHALL 命令, 并重启 Redis , 就可以将数据集恢复到 FLUSHALL 执行之前的状态。

缺点:

  • 对于相同的数据集来说,AOF 文件的体积通常要大于 RDB 文件的体积。
  • 根据所使用的 fsync 策略,AOF 的速度可能会慢于 RDB 。 在一般情况下, 每秒 fsync 的性能依然非常高, 而关闭 fsync 可以让 AOF 的速度和 RDB 一样快, 即使在高负荷之下也是如此。 不过在处理巨大的写入载入时,RDB 可以提供更有保证的最大延迟时间(latency)。
  • AOF 在过去曾经发生过这样的 bug : 因为个别命令的原因,导致 AOF 文件在重新载入时,无法将数据集恢复成保存时的原样。 (举个例子,阻塞命令 BRPOPLPUSH 就曾经引起过这样的 bug 。) 测试套件里为这种情况添加了测试: 它们会自动生成随机的、复杂的数据集, 并通过重新载入这些数据来确保一切正常。 虽然这种 bug 在 AOF 文件中并不常见, 但是对比来说, RDB 几乎是不可能出现这种 bug 的。

Redis与Memcached的区别

两者都是非关系型内存键值数据库,主要有以下不同:

  1. 数据类型
    Memcached 仅支持字符串类型,而 Redis 支持五种不同的数据类型,可以更灵活地解决问题。
  2. 数据持久化
    Redis 支持两种持久化策略:RDB 快照和 AOF 日志,而 Memcached 不支持持久化。
  3. 分布式
    Memcached 不支持分布式,只能通过在客户端使用一致性哈希来实现分布式存储,这种方式在存储和查询时都需要先在客户端计算一次数据所在的节点。
    Redis Cluster 实现了分布式的支持。
  4. 内存管理机制
    • 在 Redis 中,并不是所有数据都一直存储在内存中,可以将一些很久没用的 value 交换到磁盘,而 Memcached 的数据则会一直在内存中。
    • Memcached 将内存分割成特定长度的块来存储数据,以完全解决内存碎片的问题。但是这种方式会使得内存的利用率不高,例如块的大小为 128 bytes,只存储 100 bytes 的数据,那么剩下的 28 bytes 就浪费掉了。

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