【Redis】核心特性、应用场景与安装配置

已于 2025-06-22 16:26:37 修改
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分类专栏： Redis 文章标签： redis 数据库 缓存
于 2025-06-08 18:19:13 首次发布
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一、初识 Redis

1.1 Redis 概述

1. Redis 简介

Redis（Remote Dictionary Server） 是一款高性能的 键值存储（Key-Value Store） 数据库，属于 NoSQL 数据库的一种。相较于传统键值数据库，Redis 的核心优势在于其支持 多种数据结构，包括：

  • String（字符串）
  • Hash（哈希表）
  • List（列表）
  • Set（集合）
  • Sorted Set（有序集合）
  • Bitmaps（位图）
  • HyperLogLog（基数统计）
  • GEO（地理空间索引）

由于 Redis 数据主要存储在内存中，其读写性能极高（可达 10万+ QPS）。同时，Redis 提供 持久化机制（RDB 快照和 AOF 日志），确保数据在宕机或故障时不会丢失。

此外，Redis 还支持：

  • 键过期（Key Expiration）
  • 发布订阅（Pub/Sub）
  • 事务（Transactions）
  • 流水线（Pipeline）
  • Lua 脚本（Lua Scripting）

2. Redis 的发展历程

  • 2008 年：Redis 由 Salvatore Sanfilippo（@antirez） 开发，最初用于优化其项目 LLOOGG 的队列性能（替代 MySQL）。
  • 2009 年：Redis 1.0 开源发布，迅速获得广泛关注。
  • 至今：Redis 已成为全球最受欢迎的 内存数据库 之一，被众多 大型互联网公司 采用。

1.2 Redis 核心特性

  • MySQL 主要通过 表 存储数据，“关系型数据库”
  • Redis 通过 键值对 存储数据，“非关系型数据库”

根据官方的介绍，Redis 具有以下特性和优点：

1. 高性能

  • Redis 提供极高的读写性能，能在毫秒级的时间内完成数据操作。
  • 支持单线程架构，利用事件循环处理多个客户端请求，避免了上下文切换的开销。
  • 从网络角度上，Redis 使用了IO多路复用的机制（epoll）
  • Redis是C语言开发的，从某种程度上也减少了延迟以及提高了处理速度

2. 丰富的数据类型

  • 除了传统的键值对数据存储，Redis 支持多种复杂的数据类型，如：
    • 字符串（String）
    • 哈希（Hash）
    • 列表（List）
    • 集合（Set）
    • 有序集合（Sorted Set）
    • 位图（Bitmap）
    • HyperLogLog（用于基数统计）
    • 地理空间（Geospatial）

3. 持久化

  • Redis 提供了两种持久化机制：
    • RDB（Redis 数据库快照）：通过定期将数据保存到磁盘中来持久化数据。
    • AOF（追加文件）：每次对 Redis 进行写操作时，将操作命令追加到日志文件中。
  • 这两种方式可以结合使用，以确保数据的持久性和高可用性。

4. 原子操作

  • Redis 提供对数据的原子操作支持，确保在并发情况下，数据的修改不会发生冲突或不一致。

5. 主从复制

  • Redis 支持主从复制机制，可以通过复制将数据同步到多个从节点，从而提高数据的可用性与读取性能。

6. 高可用性与分布式

  • Redis 通过 Redis Sentinel 实现高可用性，能够自动故障转移（failover），保证系统的持续可用性。
  • Redis Cluster 支持分布式部署，可以自动分片（sharding），以支持大规模的数据存储。

7. 内存存储与低延迟

  • Redis 完全基于内存（RAM）操作，具有极低的延迟。
  • 适用于高频的读写操作，如实时应用程序、缓存等。

8. 灵活的过期策略

  • Redis 支持键值对的过期时间设置，可以自动删除过期的数据。
  • 支持 LRU（Least Recently Used）算法来清除最少使用的键，帮助控制内存使用。

9. 事务支持

  • Redis 提供了事务机制，支持 MULTI、EXEC、WATCH 等命令来实现一组操作的原子执行。

10. 简单的 API

  • Redis 提供了非常简单直观的 API，易于集成和使用，支持多种编程语言，如 Python、Java、C、Go 等。

总结

下图是总结了Redis的核心功能：

在这里插入图片描述

  • 速度快：由于是内存数据库，读取速度极快。
  • 数据结构丰富：支持多种数据结构，能够满足不同场景的需求。
  • 高可用性：通过复制和故障转移机制确保系统的高可用性。
  • 易于扩展：支持分片和分布式架构，能轻松扩展为大规模分布式系统。
  • 灵活性强：支持多种持久化方案和过期策略。

1.3 Redis 应用场景

Redis 适用场景

  1. 缓存

    • Web缓存：Redis 常被用作缓存系统，以提高Web应用的响应速度和减轻数据库的负载。它通过存储热数据，避免重复查询数据库。
    • 页面缓存：可以将渲染过的页面存储在 Redis 中，从而快速返回给用户，减少服务器端渲染负担。
    • 数据库查询结果缓存：将数据库查询结果缓存在 Redis 中，避免对数据库的重复查询，减少数据库负载。

  2. 会话存储（Session Store）

    • Redis 常被用作会话存储，尤其是在处理大量用户会话时。由于 Redis 支持键值对存储和高效的过期策略，非常适合存储用户会话数据。
    • 它能支持高并发的读写，并且提供自动过期功能，确保会话数据能在合理时间后自动清理。

  3. 实时数据分析

    • Redis 的快速读写能力使它非常适合做实时数据分析。例如，使用 Redis 存储网站的实时访问数据、用户活动数据等。
    • 计数器：利用 Redis 的自增操作，可以很方便地实现点击计数、PV（页面浏览量）和 UV（独立访客数）等功能。
    • 实时流数据处理：借助 Redis 的 列表 和 集合 等数据结构，可以实时处理和分析大量流数据。

  4. 排行榜/计分系统

    • 有序集合（Sorted Set） 是 Redis 的一项强大功能，非常适合实现排行榜和计分系统。通过有序集合，可以高效地存储并排序用户分数。
    • 常见应用如在线游戏的排行榜、社交平台的用户积分等。

  5. 消息队列（Message Queue）

    • Redis 可以作为高效的消息队列系统，支持 发布/订阅（Pub/Sub） 模式以及 列表 结构作为队列实现。
    • 它可以用来在分布式系统中进行异步任务处理、事件通知等场景。其快速的生产者/消费者模型能够实现低延迟的消息传递。

  6. 实时聊天系统

    • Redis 的发布/订阅模型（Pub/Sub）常常用于实现实时消息推送系统。通过 Redis，用户可以在不同的聊天室中实时交换消息。
    • 该功能非常适合社交应用、即时通讯工具、在线客服等场景。

  7. 队列任务系统

    • Redis 的列表（List）数据结构非常适合用来实现任务队列，支持 LPUSH 和 RPOP 等原子操作，可以高效地进行任务的推送和消费。
    • 例如，后台任务处理、异步任务分发等场景。

  8. 分布式锁

    • 在分布式系统中，Redis 可以作为分布式锁的实现方式。通过 Redis 提供的 SETNX 命令，多个进程可以竞争获取锁，确保资源在同一时刻只被一个进程访问。
    • 这种锁的机制可广泛应用于分布式系统中的资源控制、事务管理等场景。

Redis 不适用场景

站在数据规模的角度看，数据可以分为大规模数据和小规模数据；我们知道 Redis 的数据是存在内存中的，如果数据量过于大的情况下，使用Redis经济成分很高（内存的价格远高于磁盘）

站在数据冷热的角度看，数据分为热数据与冷数据；热数据通常指需要频繁操作的数据，反之为冷数据，对于一个视频网站来说，视频的基本信息就属于热数据，用户观看记录一般情况下不会经常访问，属于冷数据。
如果将这些冷数据放在Redis中，就浪费了其内存空间。这些冷数据就不适合放在Redis中。
即将那些要经常被访问的数据放到内存中，而不经常被访问的放在磁盘中存储。

Redis 适用场景举例

缓存场景

下图是较典型的缓存使用场景，其中 Redis 作为缓冲层、MySQL作为 存储层，绝大部分请求的数据都是从 Redis 中获取。由于 Redis 有支撑高并发的特性，所以缓存通常能起到加速读写和降低后端压力的作用。

Redis + MySQL 组成的缓存存储架构：
在这里插入图片描述

  1. 假设根据用户UID获取用户信息：

    UserInfo getUserInfo(long long uid) {
    ...
}

  2. 首先从 Redis 中获取用户信息，假设用户信息存储在键 “user:info:<uid>” 中：

    // 生成 Redis 键
String key = "user:info:" + uid;
// 尝试从 Redis 获取值
String value = REDIS_EXEC: get key;
// 缓存命中
if (value != null) {
    // 假设用户信息为 JSON 格式
    UserInfo userInfo = JSON.deserialize(value);
    return userInfo;
}

  3. 如果缓存未命中（miss），则从 MySQL 中获取用户信息，并将其写入缓存：

    // 缓存未命中
if (value == NULL) {
    // 从数据库获取用户信息
    UserInfo userInfo = SQL_EXEC: select * from user_info where uid = <uid>;
    // 如果未找到用户信息
    if (userInfo == null) {
        response: 404;
        return null;
    }
    // 将用户信息序列化为 JSON 格式
    String value = json::serialize(userInfo);
    
    // 将数据写入缓存，设置过期时间为 1 小时
    REDIS_EXEC: set key value ex 3600;

    // 返回用户信息
    return userInfo;
}

通过引入缓存机制，在理想情况下，每个用户信息在 1 小时内只会触发一次 MySQL 查询，显著提高了查询效率，并减少了 MySQL 的负载。

与 MySQL 等关系型数据库不同，Redis 没有表、字段等命名空间，也没有强制要求键名的格式（部分特殊字符除外）。
然而，合理的键名设计有助于避免键冲突，并提高项目的可维护性。一般建议使用“业务名:对象名:唯一标识:属性”的格式来设计键名。
例如，MySQL 数据库 ol 中的 t_user_info 表，可以使用 “ol:t_user_info:6379” 或 “ol:t_user_info:6379:name” 来表示。如果 Redis 只为一个业务使用，可以省略业务名 ol。
如果键名过长，可以使用权威的缩写来代替。例如，“user:6379:friends:messages:5217” 可以简化为 “u:6379:fr:m:5217”。这样可以避免键名过长导致 Redis 性能下降。

2. 计数功能

很多业务都会采用 Redis 作为计数的基础工具。Redis 可以实现快速计数、查询缓存的功能，同时数据可以异步处理或者落地到其他数据源。

如下图所示，视频网站的视频播放次数可以使用 Redis 完成：用户每播放一次视频，相应的视频播放数会自增1。

记录一个视频的播放次数
在这里插入图片描述

long incrVideoCounter(long vid)
{
	key = "video" + vid;
	long count = REDIS_EXEC("incr key");
	return counter;
}

3. 共享会话

如下图所示：一个分布式Web服务将用户的Session信息（例如用户登录信息）保存在各自的服务器中。

以负载均衡的视角：分布式服务会将用户的访问请求均衡到不同服务器上，且一般不会保证每次用户请求会被均衡到同一台服务器，此时用户刷新后再次访问就得重新登录。

在这里插入图片描述

为了解决此问题，可以使用 Redis 将用户的 Session 信息进行集中管理，如下图所示，在这种模式下，只要保证 Redis 是最高可用和可扩展性的，无论用户被均衡到哪台服务器，都集中从 Redis 中查询、更新 Session 信息。

在这里插入图片描述

手机验证码

大多应用出于安全考虑，会在用户登录时，输入手机号确认验证码。
为了使短信功能接口不被频繁访问，会限制用户每分钟获取验证码的频率，一般是每60秒获取一次。

在这里插入图片描述

同样可用通过 Redis 实现：

String sendVerificationCode(phoneNumber)
{
	key = "shortMsg:limit:" + phoneNumber
	// 设置过期时间 1 分钟
	// 使用 NX，只在不存在 key 时才能设置成功
	bool r = REDIS_EXEC("set key 1 ex 60 nx")
	if (r == false)
	{
		// 已经设置过该号码的验证码
		long c = REDIS_EXEC("incr key")
		if (c > 0) {
			// 1分钟内已经发送过了
			// 限制发送
			return null
		}
	}
	
	// 此前没有设置过该号码的验证码
	String verificationCode = uuid::uuid(6); // 生成随机6位数验证码
	
	verificationKey = "verification:" + phoneNumber;
	REDIS_EXEC("set verificationKey verificationCode ex 60")
	// 返回验证码
	return verificationCode;
}

// 验证⽤⼾输⼊的验证码是否正确
bool 验证验证码(phoneNumber, validationCode) {
	validationKey = "verification:" + phoneNumber;
	String value = Redis 执⾏命令：get validationKey;
	if (value == null) {
		// 说明没有这个⼿机的验证码记录，验证失败
		return false;
	}
	if (value == validationCode) {
		return true;
	} else {
		return false;
	}
}

1.4 Redis 版本

Redis 借鉴了 Linux 操作系统的版本号命名规则：如果版本号的第二位是奇数，则表示该版本为非稳定版本（例如 2.7、2.9、3.1）；如果是偶数，则为稳定版本（例如 2.6、2.8、3.0、3.2）。当前的奇数版本是下一个稳定版本的开发版本，例如 2.9 是 3.0 版本的开发版本。因此，生产环境通常选择偶数版本的 Redis。如果希望提前体验新的特性，可以选择最新的奇数版本。

二、Redis 安装与基础操作

下面相关的安装与操作部分主要以Ubuntu系统为主进行介绍：

2.1 安装 Redis

  1. 在 Ubuntu 系统中，直接使用 apt 安装即可：
apt install redis -y # -y 自动确认安装过程中的提示
  1. Windows 系统安装reids：

2.2 支持远程连接

  1. Ubuntu 系统 修改 /etc/redis/redis.conf
  • 修改 bind 127.0.0.1 为 bind 0.0.0.0
  • 修改 protected-mode yes 改为 protected-mode no
    在这里插入图片描述
  1. Windows 系统修改下载目录下的 redis.windows-service.conf
    在这里插入图片描述

2.3 Redis 基础控制

  1. 启动 Redis 服务

    service redis-server start

  2. 停止 Redis 服务

    service redis-server stop

  3. 重启 Redis 服务

    service redis-server restart

三、Redis 重要文件 & 作用

3.1 工具 & 脚本

下面是一些Redis中重要的工具与脚本，用于服务器的管理、性能测试、监控、数据文件的检查与修复等功能：

文件路径解释作用
/usr/bin/redis-benchmarkRedis 基准测试工具用于测试 Redis 服务器性能。可以模拟大量并发操作来评估 Redis 的性能表现。
/usr/bin/redis-check-aofAOF 文件检查工具用于检查和修复 Redis 的 AOF（追加文件）日志。如果 Redis 崩溃或数据不一致，可以使用它来检查和修复 AOF 文件。
/usr/bin/redis-check-rdbRDB 文件检查工具用于检查和修复 Redis 的 RDB（数据库快照）文件。如果 RDB 文件损坏或不完整，可以使用该工具进行修复。
/usr/bin/redis-cliRedis 命令行客户端通过命令行连接到 Redis 服务器，允许用户发送 Redis 命令进行交互、管理 Redis 实例。
/usr/bin/redis-sentinelRedis Sentinel 监控工具用于管理 Redis 集群的高可用性。它监控主服务器的健康状态，并在主服务器发生故障时，自动切换到备用服务器。
/usr/bin/redis-serverRedis 服务器启动程序启动 Redis 服务器实例，处理所有客户端的请求并执行数据存储和查询操作。
/usr/libexec/redis-shutdownRedis 关闭服务脚本用于优关闭 Redis 服务器，确保数据被正确保存并释放资源。

3.2 配置文件

/etc/redis-sentinel.conf
/etc/redis.conf
  • /etc/redis.conf 是 Redis 服务器的配置文件。
  • /etc/redis-sentinel.conf 是 Redis Sentinel 的配置文件。

3.3 持久化文件存储目录

/var/lib/redis/

Redis 持久化生产的 RDB 和 AOF ⽂件都默认生成于该目录下。

3.4 日志文件目录

/var/log/redis/

该目录下会保存 Redis 运行期间 产生的日志文件，默认按照天数进行分割，并会将一定日期的日期文件使用gzip格式压缩保存。

四、Redis 命令行客户端

Redis客户端与服务端的交互过程如下图：
在这里插入图片描述

4.1 连接Redis服务器的两种模式

1. 交互式连接（推荐用于日常操作）

连接命令格式：

redis-cli -h {host} -p {port}

典型使用场景：

  • 需要连续执行多个命令
  • 调试和开发环境
  • 需要查看命令返回值的场景

操作示例：

$ redis-cli -h 127.0.0.1 -p 6379
127.0.0.1:6379> ping  # 测试连接
PONG
127.0.0.1:6379> set user:1001 "张三"  # 设置键值
OK
127.0.0.1:6379> get user:1001  # 获取值
"张三"
127.0.0.1:6379> info memory  # 查看内存信息

2. 命令行模式（适合脚本调用）

命令格式：

redis-cli -h {host} -p {port} {command}

适用场景：

  • Shell脚本中调用Redis命令
  • 需要直接获取命令结果的场景
  • 自动化任务执行

使用示例：

$ redis-cli ping  # 测试连接
PONG
$ redis-cli set counter 100  # 设置值
OK
$ redis-cli incr counter  # 原子递增
(integer) 101
$ redis-cli --raw get counter  # 原始格式输出
101

4.2 连接参数简化技巧

默认连接配置：

  • 当连接本地服务器(127.0.0.1)和默认端口(6379)时，可省略参数：
redis-cli  # 等同于 redis-cli -h 127.0.0.1 -p 6379

常用连接选项：

参数说明示例
-a认证密码redis-cli -a password
-n选择数据库redis-cli -n 1
–raw原始格式输出redis-cli --raw get key
–stat实时监控redis-cli --stat

4.3 高级连接技巧

1. 批量命令执行

$ redis-cli <<EOF
SET user:1002 "李四"
EXPIRE user:1002 3600
GET user:1002
EOF

2. 管道操作（提升批量操作性能）

$ echo -e "SET key1 value1\nGET key1" | redis-cli --pipe

3. TLS安全连接（Redis 6.0+）

redis-cli --tls --cert ./redis.crt --key ./redis.key

4.4 连接问题排查

常见错误处理：

  1. 连接拒绝：

    $ redis-cli
Could not connect to Redis at 127.0.0.1:6379: Connection refused

    解决方案：

    • 确认Redis服务已启动：ps aux | grep redis
    • 检查防火墙设置

  2. 认证失败：

    (error) NOAUTH Authentication required

    解决方案：

    redis-cli -a yourpassword

  3. 连接超时：
    解决方案：

    redis-cli -h remote_host --timeout 5
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