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

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

Redis是一个开源的使用ANSIC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。

一、基本介绍

1，什么是 Redis

Redis是一个开源的使用ANSIC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sortedset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）Redis6.0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）Redis6.0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。