Redis温故知新
一、定义
Redis（Remote Dictionary Server）是一个开源的、内存中的数据结构存储系统，它可以用作数据库、缓存和消息中间件。Redis 支持多种类型的数据结构，如字符串（strings）、哈希表（hashes）、列表（lists）、集合（sets）、有序集合（sorted sets）与位图（bitmaps）、超日志（hyperloglogs）和地理空间（geospatial）索引半径查询等。Redis 具备丰富的特性，包括事务、发布/订阅、Lua 脚本、持久化、主从复制、哨兵（Sentinel）和集群（Cluster）等。
Redis 的主要特点和优势包括：
- 高性能：Redis 将数据存储在内存中，因此读写速度非常快，远超过传统的基于磁盘的数据库。
- 丰富的数据类型：Redis 支持多种数据类型，使得开发者可以非常灵活地处理各种数据结构和场景。
- 原子操作：Redis 的所有操作都是原子性的，这意味着多个客户端同时操作同一个数据项时，Redis 可以保证操作的串行化。
- 事务支持：Redis 提供了简单的事务支持，通过 MULTI、EXEC、DISCARD 和 WATCH 命令来实现。
- 持久化：Redis 支持两种持久化方式，RDB（Redis Database）快照和 AOF（Append Only File）日志，可以保障数据的可靠性。
- 发布/订阅：Redis 提供了发布/订阅模式，使得数据可以在多个客户端之间实时共享。
- 高可用性和分布式：通过 Redis Sentinel 和 Redis Cluster，Redis 可以实现高可用性和分布式存储，确保数据的可用性和容错性。
- 简单和易用：Redis 的命令行界面简洁且功能强大，同时提供了丰富的客户端库，支持多种编程语言，如 Python、Java、C++ 等。
缺点：
- 内存限制：由于Redis将数据存储在内存中，因此其存储容量受到物理内存大小的限制。当数据量非常大时，可能会耗尽服务器的内存资源。
- 数据持久化的开销：虽然Redis提供了持久化功能，但RDB和AOF都会带来一定的性能开销。特别是在高负载的情况下，持久化可能会成为系统的瓶颈。
- 网络依赖：Redis是一个基于网络的数据库，客户端与服务器之间的通信需要通过网络进行。因此，Redis的性能和可靠性会受到网络状况的影响。
- 复杂的数据结构操作可能较慢：虽然Redis支持多种复杂的数据结构，但在某些情况下，对这些数据结构进行复杂操作（如深度遍历、复杂查询等）可能会比较慢，因为Redis并不是为这些操作而优化的。
- 单线程模型：Redis采用单线程模型来处理客户端的请求。虽然这保证了操作的原子性和简化了数据一致性的处理，但在高并发场景下，单个CPU核心可能成为性能瓶颈。不过，由于Redis的I/O操作是异步的，并且内存访问速度非常快，因此在实际应用中，Redis的性能通常仍然很高。
基本数据结构：
String（字符串）：最基本的键值对类型，支持存储二进制数据。
List（列表）：一个链表，可以从两端插入和弹出元素。
Set（集合）：无序集合，适合去重。
Hash（哈希）：键值对的集合，类似于一个字段集合。
Sorted Set（有序集合）：和 Set 类似，但可以给每个元素附加一个分数，Redis 会根据分数排序。
Bitmap：一种用于处理二进制数据的结构。
HyperLogLog：用于估算基数（例如，去重统计）。
使用场景：
缓存：Redis 常被用作缓存，来加速对数据的访问，减少数据库的压力。
消息队列：Redis 支持发布/订阅模式，也可以用作轻量级的消息队列。
分布式锁：通过 SETNX（SET if Not eXists） 命令可以实现分布式锁。
会话存储：在 Web 应用中可以将用户的会话信息存储在 Redis 中，实现快速访问和持久化。
排行榜系统：利用 Redis 的有序集合可以快速实现排行榜功能。
基本命令：
键操作：
SET key value：设置一个键值对。GET key：获取某个键的值。DEL key：删除一个键。EXPIRE key seconds：为键设置过期时间。
列表操作：
LPUSH key value：向列表左侧添加一个元素。RPOP key：从列表右侧弹出一个元素。
集合操作：
SADD key value：向集合添加元素。SMEMBERS key：获取集合中的所有元素。
哈希操作：
HSET key field value：为哈希表中的字段设置值。HGET key field：获取哈希表中某个字段的值。
有序集合操作：
ZADD key score member：添加一个带有分数的成员。ZRANGE key start stop：按分数范围获取有序集合中的元素。
高级特性：
高可用与复制：
Redis 的高可用性依赖于主从复制（Replication）和哨兵（Sentinel）机制。
-
主从复制：Redis 支持主从架构，数据可以自动从主节点复制到从节点，保证数据的冗余和高可用。主节点进行写操作，从节点作为备份并允许读取操作。这样在主节点失效时，可以提升从节点为主节点，避免数据丢失。
-
Redis Sentinel：是 Redis 的高可用解决方案，用于监控 Redis 集群中的主从节点。Sentinel 会定期检查 Redis 主节点的状态，发现主节点宕机时会自动进行主从切换。
Sentinel 的职责：监控、通知、自动故障转移以及配置提供。
集群：
Redis Cluster 是 Redis 的分布式方案，允许将数据自动分片到多个 Redis 实例上。
- 分片机制：Redis Cluster 将键值空间分为 16384 个槽，数据根据哈希分布在多个节点上。每个节点负责一部分槽位的数据存储。当一个节点出现故障时，集群可以通过冗余机制保持数据的可用性。
- 节点故障检测和恢复：Redis Cluster 具备自动故障转移的功能，确保在部分节点失效时，数据仍然可用。
持久化机制：
Redis 的持久化保证即使在服务器重启或宕机时，数据也可以恢复。Redis 提供两种持久化方案：
- RDB（Redis Database Backup）：定期将数据的快照保存到磁盘，适用于不需要实时保存数据的场景。虽然它对性能的影响较小，但可能会导致数据丢失，因为只在指定时间点生成快照。
- AOF（Append-Only File）：记录每次写操作的日志，保证数据不丢失。Redis 可以通过定期对 AOF 文件进行压缩来减少磁盘空间的占用。AOF 相对较慢，但能够提供更强的数据安全性。
缓存过期策略：
-
LRU (Least Recently Used)：最少使用算法，会优先删除最近最少使用的键。
-
LFU (Least Frequently Used)：最少频率使用算法，会优先删除访问频率最低的键。
-
TTL (Time to Live)：为键设置一个明确的过期时间，过期后自动删除。
使用 StackExchange.Redis 在 C# 中开始使用 Redis
在开始在 C# 中使用 Redis 之前，您需要安装 StackExchange.Redis 库。您可以使用 Visual Studio/Rider 中的 NuGet 包管理器或通过命令行来执行此操作。
Install-Package StackExchange.Redis
首先，让我们连接到 Redis 服务器。确保您有一个在默认端口 (6379) 上本地运行的 Redis 服务器。如果您的 Redis 服务器托管在其他地方，您可以调整连接参数。
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
var builder = WebApplication.CreateBuilder(args);
// 读取 Redis 连接字符串
var redisConnectionString = builder.Configuration.GetValue<string>("RedisCacheConnectionString");
// 注册 Redis 连接多路复用器
builder.Services.AddSingleton<IConnectionMultiplexer>(
ConnectionMultiplexer.Connect(string.IsNullOrEmpty(redisConnectionString) ? "localhost" : redisConnectionString));
}
}
public interface ICacheService
{
Task SetRedisByKey<T>(string key, T value, TimeSpan? expiry = null) where T: class;
Task<T?> GetByKeyFromRedis<T>(string key) where T: class;
Task RemoveByKeyFromRedis(string key);
}
public class CacheService : ICacheService
{
private readonly IConnectionMultiplexer _connectionMultiplexer;
public CacheService(IConnectionMultiplexer connectionMultiplexer)
{
_connectionMultiplexer = connectionMultiplexer;
}
public async Task SetRedisByKey<T>(string key, T value, TimeSpan? expiry = null) where T: class
{
if (value != null)
{
expiry ??= TimeSpan.FromMinutes(5);
var stringValue = value as string ?? JsonConvert.SerializeObject(value);
await _connectionMultiplexer.GetDatabase().StringSetAsync(key, stringValue, expiry).ConfigureAwait(false);
}
}
public async Task<T?> GetByKeyFromRedis<T>(string key) where T: class
{
var cachedResult = await _connectionMultiplexer.GetDatabase().StringGetAsync(key).ConfigureAwait(false);
return !cachedResult.IsNullOrEmpty
? typeof(T) == typeof(string) ? cachedResult.ToString() as T :
JsonConvert.DeserializeObject<T>(cachedResult)
: default;
}
public async Task RemoveByKeyFromRedis(string key)
{
var db = _connectionMultiplexer.GetDatabase();
await db.KeyDeleteAsync(key);
}
}
Redis 提供多种数据结构，如 String、Hash、List、Set、Sorted Set 等。下面展示如何使用 StackExchange.Redis 操作这些数据结构：
1、操作字符串
// 设置一个字符串值
await _connectionMultiplexer.GetDatabase().StringSetAsync("name", "Alice");
// 获取字符串值
var name = await _connectionMultiplexer.GetDatabase().StringGetAsync("name");
2、操作哈希 (Hash)
// 设置哈希字段
await _connectionMultiplexer.GetDatabase().HashSetAsync("user:1001", new HashEntry[]
{
new HashEntry("name", "Alice"),
new HashEntry("age", 30)
});
// 获取哈希字段的值
var name = await _connectionMultiplexer.GetDatabase().HashGetAsync("user:1001", "name");
3、操作列表 (List)
// 向列表的左侧添加元素
await _connectionMultiplexer.GetDatabase().ListLeftPushAsync("tasks", "Task 1");
// 从列表右侧弹出元素
var task = await _connectionMultiplexer.GetDatabase().ListRightPopAsync("tasks");
4、操作集合 (Set)
// 添加元素到集合
await _connectionMultiplexer.GetDatabase().SetAddAsync("skills", "C#");
await _connectionMultiplexer.GetDatabase().SetAddAsync("skills", "Redis");
// 获取集合中的所有元素
var skills = await _connectionMultiplexer.GetDatabase().SetMembersAsync("skills");
5、操作有序集合 (Sorted Set)
// 向有序集合添加元素及其分数
await _connectionMultiplexer.GetDatabase().SortedSetAddAsync("leaderboard", "Alice", 1000);
await _connectionMultiplexer.GetDatabase().SortedSetAddAsync("leaderboard", "Bob", 1500);
// 获取有序集合中前 10 名的成员
var topPlayers = await _connectionMultiplexer.GetDatabase().SortedSetRangeByRankAsync("leaderboard", 0, 9);
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