缓存型数据库Redis的配置与优化
文章目录
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- 一、什么是缓存
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- 1.1 buffer与cache
- 1.2 各层缓存的位置
- 二、关系型数据库和非关系型数据库
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- 2.1关系型数据库
- 2.2 非关系型数据库
- 2.3 两者之间的区别
- 2.4 非关系型数据库产生背景
- 2.5 阶段总结
- 三、缓存型数据库Redis
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- 3.1 Redis简介
- 3.2 Redis的优点
- 3.3 Redis的缺点
- 3.4 Redis适用场景
- 3.5 Redis为什么这么快
- 3.6 Redis与memcached比较
- 四、Redis安装部署
- 五、Redis命令工具
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- 5.1 Redis-cli命令行工具
- 5.2 redis-benchmark 测试工具
- 六、Redis数据库内操作命令
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- 6.1 set、get、keys
- 6.2 exists
- 6.3 del
- 6.4 type
- 6.5 rename和renamenx
- 6.6 dbsize
- 6.7 设置和清空密码
- 6.8 select
- 6.9 flushdb和flushall
- 总结
一、什么是缓存
缓存是为了调节速度不一致的两个或多个不同的物质的速度，在中间对速度较慢的一方起到加速作用，比如CPU的一级、二级缓存是保存了CPU最近经常访问的数据，内存是保存CPU经常访问硬盘的数据，而且硬盘也有大小不一的缓存，甚至是物理服务器的raid 卡有也缓存，都是为了起到加速CPU 访问硬盘数据的目的，因为CPU的速度太快了，CPU需要的数据由于硬盘往往不能在短时间内满足CPU的需求，因此CPU缓存、内存、Raid 卡缓存以及硬盘缓存就在一定程度上满足了CPU的数据需求，即CPU 从缓存读取数据可以大幅提高CPU的工作效率。
1.1 buffer与cache
buffer与cache都数据系统的缓存
- buffer：缓冲也叫写缓冲，一般用于写操作，可以将数据先写入内存再写入磁盘，buffer 一般用于写缓冲，用于解决不同介质的速度不一致的缓冲，先将数据临时写入到里自己最近的地方，以提高写入速度，CPU会把数据先写到内存的磁盘缓冲区，然后就认为数据已经写入完成看，然后由内核在后续的时间在写入磁盘，所以服务器突然断电会丢失内存中的部分数据。
- cache： 缓存也叫读缓存，一般用于读操作，CPU读文件从内存读，如果内存没有就先从硬盘读到内存再读到CPU，将需要频繁读取的数据放在里自己最近的缓存区域，下次读取的时候即可快速读取。
1.2 各层缓存的位置
- 物理层：磁盘Cache，RAID Cache
- 系统层：OS的Cache
- 数据层：数据库、分布式缓存
- 应用层：静态页面缓存
- Web层：Web服务器缓存
- 代理层：内容分发网络CDN，反向代理缓存
- 用户层：DNS缓存
二、关系型数据库和非关系型数据库
2.1关系型数据库
- 关系型数据库是一个结构化的数据库，创建在关系模型(二维表格模型)基础上，一般面向于记录。
- SQL语句（标准数据查询语言）就是一种基于关系型数据库的语言，用于执行对关系型数据库中数据的检索和操作。
- 主流的关系型数据库包括Oracle、 MySQL、SQL Server、Microsoft Access、 DB2、PostgreSQL 等。
- 以上数据库在使用的时候必须先建库建表设计表结构，然后存储数据的时候按表结构去存，如果数据与表结构不匹配就会存储失败。
2.2 非关系型数据库
- NoSQL（NoSQL=NotonlysQL），意思是“不仅仅是SQL"，是非关系型数据库的总称。
- 除了主流的关系型数据库外的数据库，都认为是非关系型。
- 不需要预先建库建表定义数据存储表结构，每条记录可以有不同的数据类型和字段个数(比如微信群聊里的文字、图片、视频、音乐等)。
- 主流的NOSQL 数据库有Redis、MongBD、 Hbase（分布式非关系型数据库，大数据使用）、Memcached、ElasticSearch（简称ES，索引型数据库）、TSDB（时续型数据库） 等。
2.3 两者之间的区别
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数据存储方式不同：关系型和非关系型数据库的主要差异是数据存储的方式。
- 关系型数据天然就是表格式的，因此存储在数据表的行和列中。数据表可以彼此关联协作存储，也很容易提取数据。
- 与其相反，非关系型数据不适合存储在数据表的行和列中，而是大块组合在一起。非关系型数据通常存储在数据集中，就像文档、键值对或者图结构。你的数据及其特性是选择数据存储和提取方式的首要影响因素。（很容易切换数据类型，一个数据集当中有多种数据类型）
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扩展方式不同：SQL和NoSQL数据库最大的差别可能是在扩展方式上，要支持日益增长的需求当然要扩展。
- 要支持更多并发量，SQL数据库是纵向扩展，也就是说提高处理能力，使用速度更快速的计算机，这样处理相同的数据集就更快了。因为数据存储在关系表中，操作的性能瓶颈可能涉及很多个表，这都需要通过提高计算机性能来克服。虽然SQI数据库有很大打展空间，但最终肯定会达到纵向扩展的上限。（数据一般存储在本地的文件系统中。读可以通过读写分离、负载均衡来分摊性能，但读写仍然很消耗IO性能）
- 而NoSQL数据库是横向扩展的。因为非关系型数据存储天然就是分布式的，NoSQL数据库的扩展可以通过给资源池添加更多普通的数据库服务器(节点)来分担负载。（数据分布存储在不同服务器上，可以并发地读写，加快效率）
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对事务性的支持不同
- 如果数据操作需要高事务性或者复杂数据查询需要控制执行计划，那么传统的SQL数据库从性能和稳定性方面考虑是你的最佳选择。SQL数据库支持对事务原子性细粒度控制，并且易于回滚事务。
- 虽然NoSQL数据库也可以使用事务操作，但稳定性方面没法和关系型数据库比较，所以它们真正闪亮的价值是在操作的扩展性和大数据量处理方面。
- 非关系型数据库在事务的处理和稳定性方面，不如关系型数据库。但读写性能好、易于扩展，处理大数据方面占优势。
小结：
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横向扩展：加服务器。（比较便宜）
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纵向扩展：提高硬件配置，比如换更高性能的CPU、加CPU核数、硬盘、磁盘IO、内存条。（除硬盘外，其他需要停机才能加）
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关系型数据库：特别适合高事务性要求和需要控制执行计划的任务，事务细粒度控制更好。
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非关系型数据库：事务控制会稍显弱势，其价值点在于高扩展性和大数据量处理方面。
2.4 非关系型数据库产生背景
可用于应对Web2.0纯动态网站类型的三高问题。
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High performance—对数据库高并发读写需求
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Huge Storage—对海量数据高效存储与访问需求
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High Scalability s&High Availability一对数据库高可扩展性与高可用性需求
关系型数据库和非关系型数据库都有各自的特点与应用场景，两者的紧密结合将会给Web2.0的数据库发展带来新的思路。让关系型数据库关注在关系上和对数据的一致性保障，非关系型数据库关注在存储和高效率上。 例如，在读写分离的MysQL数据库环境中，可以把经常访问的数据存储在非关系型数据库中，提升访问速度。
2.5 阶段总结
关系型数据库：
- 纵向扩展：提高硬件配置，比如换更高性能的CPU、加CPU核数、硬盘、磁盘IO、内存条。（除硬盘外，其他需要停机才能加）
- 特别适合高事务性要求和需要控制执行计划的任务，事务细粒度控制更好。
- 实例–>数据库–>表(table)–>记录行(row)、数据字段(column)
非关系型数据库：
- 横向扩展：加服务器。（比较便宜）
- 事务控制会稍显弱势，其价值点在于高扩展性和大数据量处理方面。
- 实例–>数据库–>集合(collection) -->键值对(key-value)
- 非关系型数据库不需要手动建数据库和集合(表)。
三、缓存型数据库Redis
3.1 Redis简介
- Redis（远程字典服务器）是一个开源的、使用c语言编写的NoSQL数据库。
- Redis基于内存运行并支持持久化，采用key-value（键值对）的存储形式，是目前分布式架构中不可或缺的一环。
- Redis服务器程序是单进程模型，也就是在一台服务器上可以同时启动多个Redis进程，Redis的实际处理速度则是完全依靠于主进程的执行效率。
- 若在服务器上只运行一个Redis进程，当多个客户端同时访问时，服务器的处理能力是会有一定程度的下降。
- 若在同一台服务器上开启多个Redis进程，Redis在提高并发处理能力的同时会给服务器的CPU造成很大压力。
- 在实际生产环境中，需要根据实际的需求来决定开启多少个Redis进程。若对高并发要求更高一些，可能会考虑在同一台服务器上开启多个进程。若CPU资源比较紧张，采用单进程即可。
3.2 Redis的优点
- 具有极高的数据读写速度： 数据读取的速度最高可达到110000 次/s，数据写入速度最高可达到81000次/s。
- 支持的数据结构： key-value，支持丰富的数据类型：Strings（字符串）、 Lists（列表）、Hashes（哈希）、 Sets（无序集合） 及Sorted Sets（有序集合） 等数据类型操作。
- 支持数据的持久化： 可以将内存中的数据保存在磁盘中，重启的时候可以再次加载进行使用。
- 原子性： Redis所有操作都是原子性的。（支持事务，所有操作都作为事务）
- 支持数据备份： 即 master-salve 模式的数据备份。（支持主从复制）
3.3 Redis的缺点
- 缓存和数据库双写一致性问题
- 缓存雪崩问题
- 缓存击穿问题
- 缓存的并发竞争问题
3.4 Redis适用场景
- Redis作为基于内存运行的数据库，是一个高性能的缓存，一般应用在session缓存、 队列、排行榜、计数器、最近最热文章、最近最热评论、发布订阅等。
- Redis适用于数据实时性要求高、数据存储有过期和淘汰特征的、不需要持久化或者只需要保证弱一致性、逻辑简单的场景。
3.5 Redis为什么这么快
- Redis是一款纯内存结构，避免了磁盘 I/O 等耗时操作。（基于内存运行）
- Redis命令处理的核心模块为单线程，减少了锁竞争，以及频繁创建线程和销毁线程的代价，减少了线程上下文切换的消耗。（单线程模型）
- 采用了 I/O 多路复用机制，大大提升了并发效率。（epoll模式）
注：在Redis6.0中新增加的多线程也只是针对处理网络请求过程采用了多线性，而数据的读写命令，仍然是单线程处理的。
3.6 Redis与memcached比较
| Redis | Memcached | |
|---|---|---|
| 类型 | KV型数据库 | KV型数据库 |
| 过期策略 | 支持 | 支持 |
| 数据类型 | 五大数据类型 | 单一数据类型 |
| 持久化 | 支持 | 不支持 |
| 主从复制 | 支持 | 不支持 |
| 虚拟内存 | 支持 | 不支持 |
四、Redis安装部署
--------------------前期环境准备-----------------------
#关闭防火墙和SELINUX
systemctl stop firewalld && setenforce 0
#安装依赖环境
yum install -y gcc gcc-c++ make
#将Redis包上传至opt目录并解压
cd /opt
tar zxvf redis-5.0.7.tar.gz
-----------------------安装Redis----------------------
#编译安装并指定安装路径为/usr/local/redis
cd /opt/redis-5.0.7/
make -j2 && make PREFIX=/usr/local/redis install
#由于Redis源码包中直接提供了Makefile 文件，所以在解压完软件包后，不用先执行./configure 进行配置，可直接执行make与make install命令进行安装。
#执行软件包提供的install_server.sh 脚本文件，设置Redis服务所需要的相关配置文件
cd /opt/redis-5.0.7/utils
./install_server.sh
一直回车即可
Please select the redis executable path [] /usr/local/redis/bin/redis-server
#这里默认为/usr/local/bin/redis-server，需要手动修改为/usr/local/redis/bin/redis-server，注意要一次性正确输入
#install_server.sh 脚本运行完毕后，Redis服务就已经启动，默认监听端口为6379
netstat -natp | grep redis
#优化文件路径，方便系统管理
ln -s /usr/local/redis/bin/* /usr/local/bin/
--------------------Redis服务管理命令------------------
/etc/init.d/redis_6379 stop #停止
/etc/init.d/redis_6379 start #启动
/etc/init.d/redis_6379 restart #重启
/etc/init.d/redis_6379 status #查看状态
--------------------配置文件参数----------------------
vim /etc/redis/6379.conf
#70行
bind 127.0.0.1 192.168.41.43 #监听的IP地址，127.0.0.1是本机的回环网卡地址，43是物理网卡地址，监听43便于远程连接
#93行
port 6379 #监听端口
#137行
daemonize yes #使用守护进程的方式启动，即后台启动
#159行
pidfile /var/run/redis_6379.pid #Redis的进程号文件·保存位置
#172行
logfile /var/log/redis_6379.log #日志保存的位置
#187行
databases 16 #监听库的数量（编号0-15）
/etc/init.d/redis_6379 restart #改完配置文件，重启redis
注：如果想要在一台主机远程连接其他主机的redis，首先
确保两台服务器的redis已安装，然后两台的配置文件中的
bind参数都监听本机物理网卡地址即可
五、Redis命令工具
| 工具 | 作用 |
|---|---|
| redis-server | 用于启动redis的工具 |
| redis-benchmark | 用于检测redis在本机的运行效率 |
| redis-check-aof | 修复AOF持久化文件 |
| redis-check-rdb | 修复RDB持久化文件 |
| redis-cli | redis命令行工具 |
5.1 Redis-cli命令行工具
-------------------redis数据库命令-------------------
语法：redis-cli [-h host -p port -a password]
-h：指定主机
-p：指定redis的端口号
-a：指定密码，如果没有设置密码，可以省略
redis-cli不添加任何选项表示默认登陆本机redis，默认端口
号6379
5.2 redis-benchmark 测试工具
redis-benchmark是官方自带的Redis性能测试工具，可以有效的测试Redis服务的性能。
语法：redis-benchmark [选项] [选项值]
-h：指定服务器主机名
-p：指定服务器端口
-s：指定服务器socket
-c：指定并发连接数
-n：指定请求数
-d：以字节的形式指定SET/GET值的数据大小
-k：l=keep alive 0=reconnect
-r：SET/GET/INCR使用随机key,SADD使用随机值
-P：通过管道传输<numreg>请求
-q：强制退出redis，仅显示query/sec值
--csv：以CSV格式输出
-l：生成循环,永久执行测试
-t：仅运行以逗号分隔的测试命令列表
-I：Idle模式，仅打开N个idle连接并等待
1.向IP地址为192.168.41.43（本机），端口为6379的Redis服务器发送100个并发连接与100000个请求测试性能。
redis-benchmark -h 192.168.41.43 -p 6379 -c 100 -n 100000
或者
redis-benchmark -c 100 -n 100000
2.测试存取大小为100字节的数据包的性能
redis-benchmark -h 192.168.41.43 -p 6379 -q -d 100
3.测试本机上Redis 服务在进行set与lpush操作时的性能
redis-benchmark -t set,lpush -n 100000 -q
六、Redis数据库内操作命令
| 命令 | 作用 |
|---|---|
| set | 存取数据 |
| get | 存放数据 |
| keys * | 查看所有的键 |
| keys k? | 查看k开头后面任意一位的数据 |
| exist | 判断键是否存在，1为存在，0为不存在 |
| del | 删除键 |
| type | 查看键对应的value值类型（五大类型） |
| rename k1 k2 | 将名为k1的键改名为k2，无论k2是否存在都会成功，存在k2，k1的值会覆盖k2的值；不存在，则直接将k1改为k2，k1就不存在了 |
| renamenx | 同rename作用一样，只不过如果k2存在，则不会执行，建议使用renamenx，以免重要数据被覆盖 |
| dbsize | 查看当前数据库中key的数目 |
6.1 set、get、keys
格式：set 键名 值 #存数据
get 键名 #查数据
keys * #查看当前数据库中所有键
keys k* #查看当前数据库中以k开头的键
keys k? #查看当前数据库中以k开头，后面包含任意一位字符的键
keys k?? #查看当前数据库中以k开头，后面包含任意两位字符的键
6.2 exists
exists用于判断键是否存在，存在返回1，不存在返回0
语法：exists 键名
6.3 del
del用于删除键
语法：del 键名
6.4 type
type用于查看键存储的数据类型
语法：type 键名
6.5 rename和renamenx
rename和renamenx都用于重命名，区别在于renamenx修改的新键名存在时，不执行；而rename无论新键名存不存在，都更改
语法：rename 旧键名 新键名
renamenx 旧键名 新键名
6.6 dbsize
dbsize用于查看当前数据库中key的数目
语法：dbsize
6.7 设置和清空密码
语法：config set requirepass XXXXXX
#一旦设置密码，必须先验证通过密码，否则所有操作不可用
auth XXXXXX
#验证密码
config get requirepass
#先验证，才能查看密码及其他操作，一次验证只支持本次会话，退出redis再进需要重新auth
redis-cli -a 000000
#登录时直接-a XXXXXX进行密码认证，后续操作就不需要在验证密码
config set requirepass ''
#清空密码，就是设置空字符
6.8 select
select用于切换redis内的数据库，默认包含16个，编号0-15，默认使用0
使用redis-cli连接Redis数据库后，默认使用的是序号为0的数据库。
各数据库相互独立，互不干扰。
语法：select 编号
各库之间移动数据
语法：move 键名 库编号
6.9 flushdb和flushall
flushdb：清空当前数据库数据
flushall：清空所有数据库的数据。。。所谓的删库跑路，慎用！！！
总结
- 常见的关系型数据库：oracle、MySQL、SQL Server、Microsoft Access、DB2、PostgreSQL
- 常见的非关系型数据库：Redis、MongBD、Hbase、Memcached、ElasticSearch（索引数据库）、TSDB（时间序列数据库）
- Redis默认数据类型：string
- Redis为什么这么快：
- Redis是一款纯内存结构，避免了磁盘 I/O 等耗时操作。（基于内存运行）
- Redis命令处理的核心模块为单线程，减少了锁竞争，以及频繁创建线程和销毁线程的代价，减少了线程上下文切换的消耗。（单线程模型）
- 采用了 I/O 多路复用机制，大大提升了并发效率。（epoll模式）
- Redis数据库常用命令：set、get、keys、exists、dbsize、rename、renamenx、select