什么是Redis？

Redis（Remote Dictionary Server）是一個開源的、基于內存的數據結構存儲系統，可以用作數據庫、緩存和消息代理。它支持多種數據結構，如字符串、哈希、列表、集合、有序集合等，具有極高的性能和豐富的功能。

核心特性

1. 內存存儲

• 數據主要存儲在內存中，讀寫速度極快
• 支持持久化到磁盤，保證數據安全
• 支持數據過期自動刪除

2. 豐富的數據結構

• String：字符串
• Hash：哈希表
• List：列表
• Set：集合
• Sorted Set：有序集合
• Bitmap：位圖
• HyperLogLog：基數統計
• Stream：流數據

3. 高性能

• 單線程模型，避免上下文切換
• 基于內存操作，讀寫性能極高
• 支持管道（pipeline）批量操作

4. 高可用

• 主從復制
• Redis Sentinel（哨兵）
• Redis Cluster（集群）

數據結構與操作

1. 字符串（String）

# 設置值
SET key "value"# 獲取值
GET key# 設置帶過期時間
SETEX key 60 "value"# 數值操作
INCR counter
DECR counter
INCRBY counter 10

2. 哈希（Hash）

# 設置哈希字段
HSET user:1000 name "John"
HSET user:1000 email "john@example.com"
HMSET user:1000 name "John" email "john@example.com" age 30# 獲取哈希字段
HGET user:1000 name
HGETALL user:1000
HMGET user:1000 name email# 哈希操作
HINCRBY user:1000 age 1
HLEN user:1000

3. 列表（List）

# 從左側插入
LPUSH mylist "a"
LPUSH mylist "b"# 從右側插入
RPUSH mylist "c"# 獲取列表
LRANGE mylist 0 -1# 彈出元素
LPOP mylist
RPOP mylist# 列表長度
LLEN mylist

4. 集合（Set）

# 添加元素
SADD myset "a" "b" "c"# 獲取所有元素
SMEMBERS myset# 檢查元素是否存在
SISMEMBER myset "a"# 獲取集合大小
SCARD myset# 隨機彈出元素
SPOP myset

5. 有序集合（Sorted Set）

# 添加元素
ZADD leaderboard 100 "Alice" 200 "Bob" 150 "Charlie"# 獲取排名
ZRANGE leaderboard 0 -1
ZREVRANGE leaderboard 0 -1# 獲取分數
ZSCORE leaderboard "Alice"# 按分數范圍獲取
ZRANGEBYSCORE leaderboard 100 200# 獲取排名
ZRANK leaderboard "Alice"

高級數據結構

1. 位圖（Bitmap）

# 設置位
SETBIT mybitmap 0 1
SETBIT mybitmap 1 0# 獲取位
GETBIT mybitmap 0# 統計位數
BITCOUNT mybitmap

2. HyperLogLog

# 添加元素
PFADD visitors "user1" "user2" "user3"# 獲取基數
PFCOUNT visitors# 合并
PFMERGE all_visitors visitors1 visitors2

3. 地理空間（Geo）

# 添加地理位置
GEOADD locations 13.361389 38.115556 "Palermo" 15.087269 37.502669 "Catania"# 計算距離
GEODIST locations "Palermo" "Catania"# 獲取位置
GEOPOS locations "Palermo"# 半徑查詢
GEORADIUS locations 15 37 100 km

事務

基本事務

# 開始事務
MULTI# 命令入隊
SET key1 "value1"
SET key2 "value2"
INCR counter# 執行事務
EXEC# 取消事務
DISCARD

樂觀鎖（WATCH）

# 監視鍵
WATCH mykey# 檢查并執行
MULTI
SET mykey "newvalue"
EXEC

發布訂閱

發布者

# 發布消息
PUBLISH news "Hello subscribers!"

訂閱者

# 訂閱頻道
SUBSCRIBE news# 訂閱多個頻道
SUBSCRIBE news sports# 模式訂閱
PSUBSCRIBE news.*

持久化

1. RDB（快照）

# 配置文件
save 900 1      # 900秒內至少1個鍵被修改
save 300 10     # 300秒內至少10個鍵被修改
save 60 10000   # 60秒內至少10000個鍵被修改# 手動保存
SAVE      # 同步保存
BGSAVE    # 異步保存

2. AOF（追加文件）

# 配置AOF
appendonly yes
appendfsync everysec    # 每秒同步一次

主從復制

配置主服務器

# 主服務器配置
port 6379

配置從服務器

# 從服務器配置
port 6380
slaveof 127.0.0.1 6379

查看復制狀態

# 在主服務器上
INFO replication# 在從服務器上
INFO replication

Redis Sentinel（哨兵）

配置哨兵

# sentinel.conf
sentinel monitor mymaster 127.0.0.1 6379 2
sentinel down-after-milliseconds mymaster 5000
sentinel failover-timeout mymaster 60000

啟動哨兵

redis-sentinel sentinel.conf

Redis Cluster（集群）

集群配置

# 創建集群
redis-cli --cluster create 127.0.0.1:7000 127.0.0.1:7001 \
127.0.0.1:7002 127.0.0.1:7003 127.0.0.1:7004 127.0.0.1:7005 \
--cluster-replicas 1

集群操作

# 查看集群信息
CLUSTER INFO# 查看節點信息
CLUSTER NODES# 添加節點
redis-cli --cluster add-node 127.0.0.1:7006 127.0.0.1:7000

性能優化

1. 內存優化

# 設置最大內存
maxmemory 2gb# 內存淘汰策略
maxmemory-policy allkeys-lru

2. 連接優化

# 最大連接數
maxclients 10000# TCP backlog
tcp-backlog 511

3. 慢查詢日志

# 啟用慢查詢
slowlog-log-slower-than 10000
slowlog-max-len 128

緩存應用

1. 緩存穿透

# 使用布隆過濾器
import redis
r = redis.Redis()def get_user(user_id):# 先檢查布隆過濾器if not r.exists(f"user:{user_id}"):return None# 從緩存獲取user = r.get(f"user:{user_id}")if user:return json.loads(user)# 從數據庫獲取user = db.get_user(user_id)if user:r.setex(f"user:{user_id}", 3600, json.dumps(user))else:# 緩存空值，防止穿透r.setex(f"user:{user_id}", 300, "null")return user

2. 緩存雪崩

# 隨機過期時間
def set_cache(key, value, base_expire=3600):# 添加隨機偏移，避免同時過期expire = base_expire + random.randint(-600, 600)r.setex(key, expire, value)

3. 緩存擊穿

# 使用互斥鎖
def get_hot_data(key):value = r.get(key)if value:return value# 獲取鎖lock_key = f"lock:{key}"if r.set(lock_key, 1, nx=True, ex=5):try:# 從數據庫獲取數據value = db.get_data(key)r.setex(key, 3600, value)return valuefinally:r.delete(lock_key)else:# 等待并重試time.sleep(0.1)return r.get(key)

與Python集成

使用redis-py

import redis
import json# 連接Redis
r = redis.Redis(host='localhost', port=6379, db=0)# 字符串操作
r.set('name', 'Alice')
name = r.get('name')# 哈希操作
r.hset('user:1000', mapping={'name': 'John','email': 'john@example.com','age': 30
})
user = r.hgetall('user:1000')# 列表操作
r.lpush('tasks', 'task1', 'task2')
tasks = r.lrange('tasks', 0, -1)# 集合操作
r.sadd('tags', 'python', 'redis', 'database')
tags = r.smembers('tags')# 有序集合
r.zadd('scores', {'Alice': 100, 'Bob': 200})
top_scores = r.zrevrange('scores', 0, 10, withscores=True)

使用Redis作為緩存

import redis
from functools import wrapsr = redis.Redis()def cache_decorator(expire_time=3600):def decorator(func):@wraps(func)def wrapper(*args, **kwargs):cache_key = f"{func.__name__}:{str(args)}:{str(kwargs)}"cached = r.get(cache_key)if cached:return json.loads(cached)result = func(*args, **kwargs)r.setex(cache_key, expire_time, json.dumps(result))return resultreturn wrapperreturn decorator@cache_decorator(expire_time=1800)
def get_user_profile(user_id):# 模擬數據庫查詢return {"id": user_id, "name": "John", "email": "john@example.com"}

常見應用場景

1. 緩存系統

• 頁面緩存
• 數據緩存
• 會話緩存

2. 計數器

• 網站訪問量
• 點贊數
• 庫存管理

3. 消息隊列

• 任務隊列
• 發布訂閱
• 實時消息

4. 排行榜

• 游戲排行榜
• 熱門文章
• 用戶積分

5. 實時系統

• 在線用戶
• 實時統計
• 地理位置

監控與管理

1. 查看統計信息

# 查看服務器信息
INFO server# 查看內存使用
INFO memory# 查看客戶端連接
INFO clients# 查看統計信息
INFO stats

2. 慢查詢分析

# 查看慢查詢
SLOWLOG GET 10# 清空慢查詢日志
SLOWLOG RESET

3. 內存分析

# 查看內存使用
MEMORY USAGE key# 查看鍵的編碼
OBJECT ENCODING key

優缺點分析

優點

• 極高的性能
• 豐富的數據結構
• 支持持久化
• 高可用性
• 易于擴展

缺點

• 內存消耗大
• 單線程模型
• 不支持復雜查詢
• 數據一致性較弱

學習資源推薦

• 官方文檔：https://redis.io/documentation
• 在線教程：Redis Tutorial
• 書籍：《Redis設計與實現》、《Redis實戰》
• 實踐項目：緩存系統、實時排行榜、消息隊列

總結

Redis作為內存數據庫的王者，憑借其極高的性能和豐富的數據結構，在現代應用架構中扮演著重要角色。無論是作為緩存、消息隊列還是實時數據處理系統，Redis都能提供出色的性能表現。對于需要高性能、低延遲的應用場景，Redis是不可或缺的技術選擇。