Redis的各項(xiàng)功能解決了哪些問題

先看一下Redis是一個(gè)什么東西。官方簡(jiǎn)介解釋到：Redis是一個(gè)基于BSD開源的項(xiàng)目，是一個(gè)把結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)放在內(nèi)存中的一個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)，你可以把它作為數(shù)據(jù)庫，緩存和消息中間件來使用。同時(shí)支持strings，lists，hashes，sets，sorted sets，bitmaps，hyperloglogs和geospatial indexes等數(shù)據(jù)類型。它還內(nèi)建了復(fù)制，lua腳本，LRU，事務(wù)等功能，通過redis sentinel實(shí)現(xiàn)高可用，通過redis cluster實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)分片。以及事務(wù)，發(fā)布/訂閱，自動(dòng)故障轉(zhuǎn)移等等。

綜上所述，Redis提供了豐富的功能，初次見到可能會(huì)感覺眼花繚亂，這些功能都是干嘛用的？都解決了什么問題？什么情況下才會(huì)用到相應(yīng)的功能？那么下面從零開始，一步一步的演進(jìn)來粗略的解釋下。

1 從零開始

最初的需求非常簡(jiǎn)單，我們有一個(gè)提供熱點(diǎn)新聞列表的api，api的消費(fèi)者抱怨說每次請(qǐng)求都要2秒左右才能返回結(jié)果。

隨后我們就著手于如何提升一下api消費(fèi)者感知的性能，很快最簡(jiǎn)單粗暴的第一個(gè)方案就出來了：為API的響應(yīng)加上基于HTTP的緩存控制cache-control:max-age=600，即讓消費(fèi)者可以緩存這個(gè)響應(yīng)十分鐘。如果api消費(fèi)者如果有效的利用了響應(yīng)中的緩存控制信息，則可以有效的改善其感知的性能（10分鐘以內(nèi)）。但是還有2個(gè)弊端：第一個(gè)是在緩存生效的10分鐘內(nèi)，api消費(fèi)者可能會(huì)得到舊的數(shù)據(jù)；第二個(gè)是如果api的客戶端無視緩存直接訪問API依然是需要2秒，治標(biāo)不治本吶。

2 基于本機(jī)內(nèi)存的緩存

為了解決調(diào)用API依然需要2秒的問題，經(jīng)過排查，其主要原因在于使用SQL獲取熱點(diǎn)新聞的過程中消耗了將近2秒的時(shí)間，于是乎，我們又想到了一個(gè)簡(jiǎn)單粗暴的解決方案，即把SQL查詢的結(jié)果直接緩存在當(dāng)前api服務(wù)器的內(nèi)存中（設(shè)置緩存有效時(shí)間為1分鐘）。后續(xù)1分鐘內(nèi)的請(qǐng)求直接讀緩存，不再花費(fèi)2秒去執(zhí)行SQL了。假如這個(gè)api每秒接收到的請(qǐng)求時(shí)100個(gè)，那么一分鐘就是6000個(gè)，也就是只有前2秒擁擠過來的請(qǐng)求會(huì)耗時(shí)2秒，后續(xù)的58秒中的所有請(qǐng)求都可以做到即使響應(yīng)，而無需再等2秒的時(shí)間。

其他API的小伙伴發(fā)現(xiàn)這是個(gè)好辦法，于是很快我們就發(fā)現(xiàn)API服務(wù)器的內(nèi)存要爆滿了。。。

3 服務(wù)端的Redis

在API服務(wù)器的內(nèi)存都被緩存塞滿的時(shí)候，我們發(fā)現(xiàn)不得不另想解決方案了。最直接的想法就是我們把這些緩存都丟到一個(gè)專門的服務(wù)器上吧，把它的內(nèi)存配置的大大的。然后我們就盯上了redis。。。至于如何配置部署redis這里不解釋了，redis官方有詳細(xì)的介紹。隨后我們就用上了一臺(tái)單獨(dú)的服務(wù)器作為Redis的服務(wù)器，API服務(wù)器的內(nèi)存壓力得以解決。

3.1 持久化（Persistence）

單臺(tái)的Redis服務(wù)器一個(gè)月總有那么幾天心情不好，心情不好就罷工了，導(dǎo)致所有的緩存都丟失了（redis的數(shù)據(jù)是存儲(chǔ)在內(nèi)存的嘛）。雖然可以把Redis服務(wù)器重新上線，但是由于內(nèi)存的數(shù)據(jù)丟失，造成了緩存雪崩，API服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫的壓力還是一下子就上來了。所以這個(gè)時(shí)候Redis的持久化功能就派上用場(chǎng)了，可以緩解一下緩存雪崩帶來的影響。redis的持久化指的是redis會(huì)把內(nèi)存的中的數(shù)據(jù)寫入到硬盤中，在redis重新啟動(dòng)的時(shí)候加載這些數(shù)據(jù)，從而最大限度的降低緩存丟失帶來的影響。

3.2 哨兵（Sentinel）和復(fù)制（Replication）

Redis服務(wù)器毫無征兆的罷工是個(gè)麻煩事。那么怎辦辦？答曰：備份一臺(tái)，你掛了它上。那么如何得知某一臺(tái)redis服務(wù)器掛了，如何切換，如何保證備份的機(jī)器是原始服務(wù)器的完整備份呢？這時(shí)候就需要Sentinel和Replication出場(chǎng)了。Sentinel可以管理多個(gè)Redis服務(wù)器，它提供了監(jiān)控，提醒以及自動(dòng)的故障轉(zhuǎn)移的功能；Replication則是負(fù)責(zé)讓一個(gè)Redis服務(wù)器可以配備多個(gè)備份的服務(wù)器。Redis也是利用這兩個(gè)功能來保證Redis的高可用的。此外，Sentinel功能則是對(duì)Redis的發(fā)布和訂閱功能的一個(gè)利用。

3.3 集群（Cluster）

單臺(tái)服務(wù)器資源的總是有上限的，CPU資源和IO資源我們可以通過主從復(fù)制，進(jìn)行讀寫分離，把一部分CPU和IO的壓力轉(zhuǎn)移到從服務(wù)器上。但是內(nèi)存資源怎么辦，主從模式做到的只是相同數(shù)據(jù)的備份，并不能橫向擴(kuò)充內(nèi)存；單臺(tái)機(jī)器的內(nèi)存也只能進(jìn)行加大處理，但是總有上限的。所以我們就需要一種解決方案，可以讓我們橫向擴(kuò)展。最終的目的既是把每臺(tái)服務(wù)器只負(fù)責(zé)其中的一部分，讓這些所有的服務(wù)器構(gòu)成一個(gè)整體，對(duì)外界的消費(fèi)者而言，這一組分布式的服務(wù)器就像是一個(gè)集中式的服務(wù)器一樣（之前在解讀REST的博客中解釋過分布式于基于網(wǎng)絡(luò)的差異：基于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的架構(gòu)）。

在Redis官方的分布式方案出來之前，有twemproxy和codis兩種方案，這兩個(gè)方案總體上來說都是依賴proxy來進(jìn)行分布式的，也就是說redis本身并不關(guān)心分布式的事情，而是交由twemproxy和codis來負(fù)責(zé)。而redis官方給出的cluster方案則是把分布式的這部分事情做到了每一個(gè)redis服務(wù)器中，使其不再需要其他的組件就可以獨(dú)立的完成分布式的要求。我們這里不關(guān)心這些方案的優(yōu)略，我們關(guān)注一下這里的分布式到底是要處理那些事情?也就是twemproxy和codis獨(dú)立處理的處理分布式的這部分邏輯和cluster集成到redis服務(wù)的這部分邏輯到底在解決什么問題？

如我們前面所說的，一個(gè)分布式的服務(wù)在外界看來就像是一個(gè)集中式的服務(wù)一樣。那么要做到這一點(diǎn)就面臨著有一個(gè)問題需要解決：既是增加或減少分布式服務(wù)中的服務(wù)器的數(shù)量，對(duì)消費(fèi)這個(gè)服務(wù)的客戶端而言應(yīng)該是無感的；那么也就意味著客戶端不能穿透分布式服務(wù)，把自己綁死到某一個(gè)臺(tái)的服務(wù)器上去，因?yàn)橐坏┤绱?，你就再也無法新增服務(wù)器，也無法進(jìn)行故障替換。
解決這個(gè)問題有兩個(gè)路子：
第一個(gè)路子最直接，那就是我加一個(gè)中間層來隔離這種具體的依賴，即twemproxy采用的方式，讓所有的客戶端只能通過它來消費(fèi)redsi服務(wù)，通過它來隔離這種依賴（但是你會(huì)發(fā)現(xiàn)twermproxy會(huì)成為一個(gè)單點(diǎn)），這種情況下每臺(tái)redis服務(wù)器都是獨(dú)立的，它們之間彼此不知對(duì)方的存在
第二個(gè)路子是讓redis服務(wù)器知道彼此的存在，通過重定向的機(jī)制來引導(dǎo)客戶端來完成自己所需要的操作
比如客戶端鏈接到了某一個(gè)redis服務(wù)器，說我要執(zhí)行這個(gè)操作，redis服務(wù)器發(fā)現(xiàn)自己無法完成這個(gè)操作，那么就把能完成這個(gè)操作的服務(wù)器的信息給到客戶端，讓客戶端去請(qǐng)求另外的一個(gè)服務(wù)器，這時(shí)候你就會(huì)發(fā)現(xiàn)每一個(gè)redis服務(wù)器都需要保持一份完整的分布式服務(wù)器信息的一份資料，不然它怎么知道讓客戶端去找其他的哪個(gè)服務(wù)器來執(zhí)行客戶端想要的操作呢。

上面這一大段解釋了這么多，不知有沒有發(fā)現(xiàn)不管是第一個(gè)路子還是第二個(gè)路子，都有一個(gè)共同的東西存在，那就是分布式服務(wù)中所有服務(wù)器以及其能提供的服務(wù)的信息。這些信息無論如何也是要存在的，區(qū)別在于第一個(gè)路子是把這部分信息單獨(dú)來管理，用這些信息來協(xié)調(diào)后端的多個(gè)獨(dú)立的redis服務(wù)器；第二個(gè)路子則是讓每一個(gè)redis服務(wù)器都持有這份信息，彼此知道對(duì)方的存在，來達(dá)成和第一個(gè)路子一樣的目的，優(yōu)點(diǎn)是不再需要一個(gè)額外的組件來處理這部分事情。

Redis Cluster的具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)則是采用了Hash槽的概念，即預(yù)先分配出來16384個(gè)槽：在客戶端通過對(duì)Key進(jìn)行CRC16（key）% 16384運(yùn)算得到對(duì)應(yīng)的槽是哪一個(gè)；在redis服務(wù)端則是每個(gè)服務(wù)器負(fù)責(zé)一部分槽，當(dāng)有新的服務(wù)器加入或者移除的時(shí)候，再來遷移這些槽以及其對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，同時(shí)每個(gè)服務(wù)器都持有完整的槽和其對(duì)應(yīng)的服務(wù)器的信息，這就使得服務(wù)器端可以進(jìn)行對(duì)客戶端的請(qǐng)求進(jìn)行重定向處理。

4 客戶端的Redis

上面的第三小節(jié)主要介紹的是Redis服務(wù)端的演進(jìn)步驟，解釋了Redis如何從一個(gè)單機(jī)的服務(wù)，進(jìn)化為一個(gè)高可用的、去中心化的、分布式的存儲(chǔ)系統(tǒng)。這一小節(jié)則是關(guān)注下客戶端可以消費(fèi)的redis服務(wù)。

4.1 數(shù)據(jù)類型

redis支持豐富的數(shù)據(jù)類型，從最基礎(chǔ)的string到復(fù)雜的常用到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都有支持：

string：最基本的數(shù)據(jù)類型，二進(jìn)制安全的字符串，最大512M。

list：按照添加順序保持順序的字符串列表。

set：無序的字符串集合，不存在重復(fù)的元素。

sorted set：已排序的字符串集合。

hash：key-value對(duì)的一種集合。

bitmap：更細(xì)化的一種操作，以bit為單位。

hyperloglog：基于概率的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

這些眾多的數(shù)據(jù)類型，主要是為了支持各種場(chǎng)景的需要，當(dāng)然每種類型都有不同的時(shí)間復(fù)雜度。其實(shí)這些復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相當(dāng)于之前我在《解讀REST》這個(gè)系列博客基于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的架構(gòu)風(fēng)格中介紹到的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問（Remote Data Access = RDA）的具體實(shí)現(xiàn)，即通過在服務(wù)器上執(zhí)行一組標(biāo)準(zhǔn)的操作命令，在服務(wù)端之間得到想要的縮小后的結(jié)果集，從而簡(jiǎn)化客戶端的使用，也可以提高網(wǎng)絡(luò)性能。
比如如果沒有l(wèi)ist這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，你就只能把list存成一個(gè)string，客戶端拿到完整的list，操作后再完整的提交給redis，會(huì)產(chǎn)生很大的浪費(fèi)。

4.2 事務(wù)

上述數(shù)據(jù)類型中，每一個(gè)數(shù)據(jù)類型都有獨(dú)立的命令來進(jìn)行操作，很多情況下我們需要一次執(zhí)行不止一個(gè)命令，而且需要其同時(shí)成功或者失敗。redis對(duì)事務(wù)的支持也是源自于這部分需求，即支持一次性按順序執(zhí)行多個(gè)命令的能力，并保證其原子性。

4.3 Lua腳本

在事務(wù)的基礎(chǔ)上，如果我們需要在服務(wù)端一次性的執(zhí)行更復(fù)雜的操作（包含一些邏輯判斷），則lua就可以排上用場(chǎng)了（比如在獲取某一個(gè)緩存的時(shí)候，同時(shí)延長其過期時(shí)間）。redis保證lua腳本的原子性，一定的場(chǎng)景下，是可以代替redis提供的事務(wù)相關(guān)的命令的。相當(dāng)于基于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的架構(gòu)風(fēng)格中介紹到的遠(yuǎn)程求值（Remote Evluation = REV）的具體實(shí)現(xiàn)。

4.4 管道

因?yàn)閞edis的客戶端和服務(wù)器的連接時(shí)基于TCP的， 默認(rèn)每次連接都時(shí)只能執(zhí)行一個(gè)命令。管道則是允許利用一次連接來處理多條命令，從而可以節(jié)省一些tcp連接的開銷。管道和事務(wù)的差異在于管道是為了節(jié)省通信的開銷，但是并不會(huì)保證原子性。

4.5 分布式鎖

官方推薦采用Redlock算法，即使用string類型，加鎖的時(shí)候給的一個(gè)具體的key，然后設(shè)置一個(gè)隨機(jī)的值；取消鎖的時(shí)候用使用lua腳本來先執(zhí)行獲取比較，然后再刪除key。具體的命令如下：

SET resource_name my_random_value NX PX 30000if redis.call("get",KEYS[1]) == ARGV[1] then return redis.call("del",KEYS[1])else return 0end

總結(jié)

本篇著重從抽象層面來解釋下redis的各項(xiàng)功能以及其存在的目的，而沒有關(guān)心其具體的細(xì)節(jié)是什么。從而可以聚焦于其解決的問題，依據(jù)抽象層面的概念可以使得我們?cè)谔囟ǖ膱?chǎng)景下選擇更合適的方案，而非局限于其技術(shù)細(xì)節(jié)。