Redis - 功能特点、应用场景、单线程模型详解（附：与Memcache对比）

作者：hangge | 2024-11-27 08:43

一、基本介绍

1，什么是 Redis

Redis 是一个开源的使用 ANSI C 语言编写、支持网络、可基于内存亦可持久化的日志型、向键值对（Key-Value）数据类型的 NoSQL 数据库，可以满足对海量数据的快速读写需求，并提供多种语言的 API。

2，Redis 的起源

Redis 是意大利人 antirez 发明的，起初是为了解决网站的负载问题。作者当初运营了一个访客信息网站，存储访客的浏览记录，通过列表的形式进行维护。
当时网站的数据存储使用的是 MySQL，随着用户越来越多，需要维护的列表数量也越来越多，要执行的入栈和出栈操作也越来越多。使用 MySQL 执行入栈和出栈操作是需要硬盘读写操作的，所以程序的性能严重受制于硬盘的 I/O。
作者希望在不改变硬件的基础上，通过提升列表的性能来解决负载问题。于是决定自己写一个具有列表结构的内存数据库原型，最重要的是将数据存储于内存而不是磁盘，这样程序的性能就不会受制于磁盘 I/O。
当时发现这样确实解决了问题，所以作者使用 C 语言重写了这个内存数据库原型，并增加了持久化等功能。这样 Redis 就诞生了。

3，Redis 的特点

高性能：官方提供的数据，Redis 读的速度是 110000 次/s，写的速度是 81000 次/s。
原子性：Redis 支持事务，Redis 的所有操作都是原子性的，同时 Redis 还支持对几个操作合并后的原子性执行。
持久存储：支持 RDB 和 AOF 这两种方式的持久化，可以把内存中的数据持久化到磁盘中。
支持主从复制：主机会自动将数据同步到从机，可以进行读写分离，以实现负载均衡及高可用。
支持集群：从 3.0 版本开始支持。
数据结构丰富：支持 string 类型的 value 外还支持 hash、set、zset、list 等数据结构。

4，一个 Redis 实例最多能存放多少 key？

答案是没有限制。因为 Redis 本身是不会限制存储多少 key 的，但是 Redis 是基于内存的，它的存储极限是系统中的可用内存值，如果内存存满了，那就无法再存储 key 了。

5，Redis 的应用场景

（1）做缓存

这是 Redis 使用最多的场景，它不仅够替代 Memcached。而且相比于 memcached，Redis 还提供了丰富的数据结构，并且提供 RDB 和 AOF 等持久化机制。
使用 Redis，不需要每次都重新生成数据，而且它的缓存速度和查询速度比较快，使用也比较方便。比如，实现数据查询、缓存新闻消息内容、缓存商品内容或购物车等。

（2）做计数器应用

Redis 的命令具有原子性，它提供了 INCR、DECR、GETSET、INCRBY 等相关命令来构建计数器系统。
可以使用 Redis 来记录一个热门帖子的转发数、评论数。通过 Redis 的原子递增，可以实现在任何时候封锁一个 IP 地址等。

（3）实现消息队列系统

Redis 运行稳定，速度快，支持模式匹配，也可以实现消息订阅发布。
Redis 还有阻塞队列的命令，能够让一个程序在执行时被另一个程序添加到队列中。比如，实现秒杀、抢购等。

（4）做实时系统、消息系统

可以利用 Redis 的 set 功能做实时系统，来查看某个用户是否进行了某项操作，对其行为进行统计对比。
也可以利用 Redis 的 Pub/Sub 构建消息系统，如在线聊天系统。

（5）实现排行榜应用

排行榜的实现利用了 Redis 的有序集合。比如，对上百万个用户的排名，采用其他数据库来实现是非常困难的，而利用 Redis 的 ZADD、ZREVRANGE、ZRANK 等命令可以轻松实现排名并获取排名的用户。

（6）做数据过期处理

我们可以将 sorted set 的 score 值设置成过期时间的时间戳，然后通过过期时间排序，找出过期的数据进行删除。
可以采用过期属性来确认一个关键字在什么时候应该被删除。也可以利用 UNIX 时间作为关键字，将列表按时间排序。对 currenttime 和 timeto_live 进行检索，查询出过期的数据，进而删除。

（7）做大型社交网络

任何架构的系统或网站都可以与 Redis 很好地结合，同样，采用 Redis 可以很好地与社交网络相结合，如新浪微博、Twitter 等。
比如，我们在使用 QQ 时，进行实时聊天就需要 Redis 的支持；又如，我们在浏览微博时，实现信息的刷新、浏览查看等也需要 Redis 的支持。

（8）分布式集群架构中的 session 分离

采用分布式集群部署，可以满足一个 Web 应用系统被大规模访问的需要。而要实现分布式集群部署，就要解决 session 统一的问题。通常可以采用 Redis 来实现 session 共享机制，以达到 session 统一的目的。

（9）分布式锁实现

在分布式场景下，无法使用单机环境下的锁来对多个节点上的进程进行同步。可以使用 Redis 自带的 SETNX 命令实现分布式锁，除此之外，还可以使用官方提供的 RedLock 分布式锁实现。

（10）位操作

reids 位操作也叫位数组操作、bitmap，它提供了 SETBIT、GETBIT、BITCOUNT、BITTOP 四个命令用于操作二进制位数组。每个位可以存储 0 或 1，因此 Redis 的位操作非常灵活，可以用于多种应用场景。
通过在 Redis 中使用位操作，可以实现一个非常节省内存的布隆过滤器，用于判断某个元素是否存在于集合中。
使用 Redis 的位操作来实现计数器，其中每个位代表一个计数值。这在一些场景下可以用于统计用户的活跃状态、点击次数等。
在某些场景下，可以使用位操作来构建位图索引，用于快速检索某些属性的相关数据。例如，可以用位图来表示用户的活跃状态，每个位表示一个小时，从而可以迅速了解用户的活跃时间。

6，Redis 线程模型

（1）Redis 6.0 之前，Redis 是一个完全的单线程服务。即 Redis 在处理客户端的请求时，包括读 socket、解析、执行、写 socket 等都由一个顺序串行的主线程处理。作者之所以这么设计，主要是为了保证 Redis 的快速和高效。如果涉及多线程，则需要使用锁机制来解决并发问题，这样执行效率反而会打折扣。

（2）Redis 6.0 之后改多线程，但要注意多线程并非是完全摒弃单线程，redis 还是使用单线程模型来处理客户端的请求，只是使用多线程来处理数据的读写和协议解析，执行命令还是使用单线程。这样做的目的是因为 redis 的性能瓶颈在于网络 IO 而非 CPU，使用多线程能提升 IO 读写的效率，从而整体提高 redis 的性能。

提示：使用 Redis 时，几乎不存在 CPU 成为瓶颈的情况， Redis 主要受限于内存和网络。例如在一个普通的 Linux 系统上，Redis 通过使用 pipelining 每秒可以处理 100 万个请求，所以如果应用程序主要使用 O(N）或 O(log（N)) 的命令，它几乎不会占用太多 CPU。

附一：Redis 和 Memcached 的对比

1，二者之间的共同点与区别

（1）Redis 与 Memcached 共同点：

都是基于内存的数据库，一般都用来当做缓存使用。
都有过期策略。
两者的性能都非常高。

（2）Redis 与 Memcached 区别：

Redis 支持的数据类型更丰富（String、Hash、List、Set、ZSet），而 Memcached 只支持最简单的 key-value 数据类型；
Redis 支持数据的持久化，可以将内存中的数据保持在磁盘中，重启的时候可以再次加载进行使用，而 Memcached 没有持久化功能，数据全部存在内存之中，Memcached 重启或者挂掉后，数据就没了；
Redis 原生支持集群模式，Memcached 没有原生的集群模式，需要依靠客户端来实现往集群中分片写入数据；
Redis 支持发布订阅模型、Lua 脚本、事务等功能，而 Memcached 不支持；

2，为什么 Memcache 使用多线程，而 Redis 使用单线程模式？

（1）Redis 使用单线程模式的理由有很多。首先有两个显著的优点：

不会引入上下文切换的开销，也没有多线程访问资源的竞争问题。
其次 Redis 是一个内存数据库，操作很快，所以它的性能瓶颈只可能出现在网络 IO 和内存大小上，是不是多线程影响不大。
最后，单线程模式比较好理解，调试起来也容易。

（2）Memcache 采用了多线程设计，那么带来的后果就是会有线程上下文切换的开支，并且多线程模式下需要引入锁来保护共享资源。优点则是 Memcache 会比 Redis 更充分地利用多核 CPU 的性能。

（3）当然，这就是一个设计者的偏好问题，没有说哪种设计一定更好。网上发布了 Redis 和 Memcache 的性能对比。基本上就是有些时候 Redis 好一点，有些时候 Memcache 好一点。

附二：Redis 为什么引入多线程？

（1）Redis 在 6.0 引入多线程的原因只有一个，那就是性能。当 Redis 启用了多线程之后，里面的主线程就要负责接收事件、创建连接、执行命令。Redis 的 IO 线程就负责读写数据。

注意：默认情况下，多线程模式是被禁用了的，需要显式地开启。

（2）整个请求的处理过程如下：

当客户端发出请求的时候，主线程会收到一个可读的事件，于是它把对应的客户端丢到可读的客户端列表。
一个 IO 线程会被安排读写这个客户端发过来的命令，并且解析好。
紧接着主线程会执行 IO 线程解析好的命令，并且把响应放回到可写客户端列表里面。
IO 线程负责写回响应。整个过程就结束了。

（3）所以整个 Redis 在多线程模式下，可以看作是单线程 Reactor、单线程 Acceptor 和多线程 Handler 的 Reactor 模式。只不过 Redis 的主线程同时扮演了 Reactor 中分发事件的角色，也扮演了接收请求的角色。同时多线程 Handler 在 Redis 里面仅仅是读写数据，命令的执行还是依赖于主线程来进行的。

提示：虽然说现在 Redis 的 IO 改成多线程之后能够有效利用多核性能，但是大部分情况下都是不推荐使用多线程模式的。道理很简单，Redis 在单线程模式下的性能就足以满足绝大多数使用场景了，那么用不用多线程已经无所谓了。

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