Redis 架构与设计

Redis 是一种开源的高性能内存键值数据库，其架构设计围绕简单、快速和高效展开。

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1. Redis 的核心架构

Redis 是一个基于 C 语言编写的单线程内存数据库，但通过多路复用实现了高效的并发处理。它的架构主要由以下几个模块组成：

a. 客户端与服务器

• Redis 采用客户端-服务器架构：
  • 客户端发送命令请求。
  • 服务器处理请求并返回结果。
• 通信使用 RESP（Redis Serialization Protocol） 协议。

b. 内存存储

• 所有数据存储在内存中，确保极高的性能。
• 支持多种数据结构（如字符串、列表、集合、哈希表、有序集合等）。

c. 持久化模块

• Redis 提供两种持久化机制：
  1. RDB（Redis DataBase）：
     • 定期快照持久化，将内存中的数据写入磁盘。
     • 适合快速恢复大量数据。
  2. AOF（Append Only File）：
     • 将每条写命令记录到日志文件中。
     • 更加实时，但文件体积较大。
• 可以同时启用 RDB 和 AOF，提供数据安全与快速恢复的平衡。

d. 事件循环

• Redis 通过 Reactor 模型实现高并发处理。
  • 使用单线程事件循环处理网络请求和数据操作。
  • 通过 I/O 多路复用（如 epoll 或 select）监听多个文件描述符。

e. 集群与高可用

• 主从复制：
  • 支持主从复制模式，从节点自动同步主节点的数据。
  • 主节点处理写请求，从节点分担读请求。
• 哨兵模式（Sentinel）：
  • 提供故障检测和自动主从切换。
• 集群模式（Cluster）：
  • 数据分片存储，支持水平扩展，分布式部署。

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2. Redis 的设计特点

a. 内存操作

• Redis 数据完全存储在内存中，通过内存操作实现极快的读写速度。
• 使用高效的数据结构（如跳表、哈希表等）优化性能。

b. 单线程模型

• Redis 使用单线程处理客户端请求，避免了多线程上下文切换的开销。
• 单线程依赖于高效的 I/O 多路复用，提供了超高的并发性能。

c. 丰富的数据结构

Redis 支持多种数据结构，使其适合不同场景：

• 字符串：支持存储简单的键值对。
• 列表：用于队列或栈操作。
• 集合：提供无序、唯一元素的集合。
• 有序集合：支持按分值排序的集合。
• 哈希表：适合存储对象或字段集合。

d. 可扩展性

• 支持哨兵模式和集群模式，实现高可用和水平扩展。
• Cluster 模式将数据分片存储在多个节点，通过哈希槽分布。

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3. Redis 的工作流程

a. 命令处理

1. 客户端通过 TCP 连接到 Redis 服务器。
2. 客户端发送命令（如 GET、SET）。
3. Redis 使用单线程事件循环解析并执行命令。
4. 结果返回客户端。

b. 数据操作

• 所有操作在内存中完成，读写速度极快。
• 持久化机制（RDB 或 AOF）在后台进行，不影响前台性能。

c. 持久化机制

• RDB：
  • 在指定的时间间隔生成内存快照并保存到磁盘。
  • 支持手动触发（SAVE 或 BGSAVE）。
• AOF：
  • 每次写操作都记录到日志文件中。
  • 提供三种刷盘策略：
    • 每次写操作都刷盘。
    • 每秒刷盘一次（默认）。
    • 由操作系统决定刷盘时间。

d. 主从复制

1. 从节点发送 SYNC 请求到主节点。
2. 主节点创建 RDB 快照并传输到从节点。
3. 后续的写操作通过增量日志同步到从节点。

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4. Redis 集群架构

Redis 集群采用 无中心分布式架构，由多个节点组成，每个节点保存部分数据。

a. 数据分片

• 数据根据键的哈希值分布到 16384 个哈希槽（slots）。
• 每个节点负责一部分哈希槽。

b. 高可用

• 每个节点可以有一个或多个从节点。
• 如果主节点故障，集群会选举从节点为新的主节点。

c. 客户端交互

• 客户端通过任意节点访问集群。
• 节点会将请求转发到数据所在的节点。

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5. Redis 的应用场景

Redis 的性能和多样性使其适用于多种场景：

1. 缓存：利用内存存储和高吞吐量，减少数据库压力。
2. 消息队列：使用列表（List）或发布订阅（Pub/Sub）功能实现消息队列。
3. 排行榜：通过有序集合（Sorted Set）构建实时排行榜。
4. 会话管理：存储用户会话数据，实现快速验证。
5. 分布式锁：使用键的过期时间实现分布式锁机制。
6. 实时分析：存储实时数据并快速计算。

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6. Redis 架构示意图

+-------------------+       +-------------------+
|    Redis 主节点    |<----->|    Redis 从节点    |
+-------------------+       +-------------------+
         |                          |
         v                          v
+-------------------+       +-------------------+
|  哨兵（Sentinel）  |<----->|  Redis 从节点（备份）|
+-------------------+       +-------------------+
         ^
         |
+-------------------+
|      客户端        |
+-------------------+

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7. Redis 的优缺点

优点

• 极高的性能：读写速度快（每秒百万级操作）。
• 多样的数据结构：支持复杂的数据建模。
• 易用性：简单易学，API 友好。
• 可扩展性：通过哨兵和集群模式支持高可用和分布式部署。

缺点

• 内存占用高：所有数据存储在内存中。
• 单线程瓶颈：尽管单线程很高效，但对某些高 CPU 密集型任务性能有限。
• 持久化延迟：持久化操作可能导致短暂的性能下降。