Redis基本手册

博主： FangShiRui
发布时间：2021 年 12 月 13 日
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分类：计算机

## 一、Redis特点
单线程（6.0版本后支持网络连接多线程）
操作基于内存，读写数据不需要磁盘I/O，速度快
Redis支持数据的持久化，可以将内存中的数据保存在磁盘中，重启的时候可以再次加载进行使用。
Redis不仅仅支持简单的key-value类型的数据，同时还提供list，set，zset，hash等数据结构的存储。
Redis的所有操作都是原子性的
Redis还支持 publish/subscribe, 通知, key 过期等等特性。

## 二、数据结构
### 1.String
适用于简单的key-value场景，如储存一条配置信息

| 命令|  描述 |
----- | ------- 
|SET key value| 设置指定key的值|
|GET key	| 获取指定key的值|
|GETRANGE key start end|	返回key中字符串的子字符串|
|SETEX key seconds value|	设值并添加过期时间|
|SETNX key value	|只有key不存在时设定key的值|
|STRLEN key |	返回字符串值长度|
|INCR key|	将key储存的数值增1|
|INCRBY key increment|	将key储存的数值增加指定值|
|DECR key|	将key所储存的值减1|
|DECRBY key decrement|	将key所储存的数值减少指定值|
|APPEND key value |	如果将指定值追加到原本值的末尾|

### 2.Hash
Redis hash 是一个string类型的 field（字段）和value（值）的映射表，hash特别适合用于储存对象数据

key本身相当于一个哈希表名，字段和值都放在这个哈希表中。

|命令	|描述|
------- | ------
| HMSET key field1 value1 [field2 value2 ] |	同时将多个字段写入到key中（此时key相当于对象名，字段相当于对象属性）|
|HSET key field value	|设置指定key的指定字段的值|
|HMGET key field1 [field2]|	获取指定key所有给定字段的值|
|HGET key field	|获取指定key中指定字段的值。|
|HGETALL key|	获取在哈希表中指定 key 的所有字段和值|
|HEXISTS key field|	查看哈希表 key 中，指定的字段是否存在。|
|HDEL key field1 [field2]|	删除一个或多个哈希表字段|
|HLEN key|	获取指定key中字段的数量|

### 3.List
Redis列表是简单的字符串列表，按照插入顺序排序。你可以添加一个元素到列表的头部（左边）或者尾部（右边）

key相当于一个List名

适合存储一些有序且数据相对固定的数据，

|命令|	描述|
------- | --------
|RPUSH key value1 [value2]|	在列表尾部添加一个或多个值|
|LPUSH key value1 [value2]|	在列表头部添加一个或者多个值|
|LSET key index value|	通过索引设置列表指定位置的值|
|LRANGE key start stop|	获取列表指定范围内的元素|
|LLEN key|	获取列表长度|
|LPOP key	|移出并返回列表的第一个元素|
|RPOP key|	移出并返回列表的最后一个元素|
|LREM key count value|	根据count值，移除列表中与value相等的元素。 `count > 0 : 从表头开始向表尾搜索，删除数量为count; count < 0 : 从表尾开始向表头搜索，删除数量为count的绝对值; count = 0 ：移除表中所有与value相等的值`|
|LTRIM key start stop|	对一个列表进行修剪(trim)，就是说，让列表只保留指定区间内的元素，不在指定区间之内的元素都将被删除。|

### 4.Set
Redis 的 Set 是 String 类型的无序集合。集合成员是唯一的，这就意味着集合中不能出现重复的数据。

Redis 中集合是通过哈希表实现的，所以添加，删除，查找的复杂度都是 O(1)。

set提供了诸如交集、并集、差集操作，可实现查找两个人共同的好友等功能

### 5.Sorted Set（ZSet）
Redis 有序集合和集合一样也是 string 类型元素的集合,且不允许重复的成员。

不同的是每个元素都会关联一个 double 类型的分数。redis 正是通过分数来为集合中的成员进行从小到大的排序。

有序集合的成员是唯一的,但分数(score)却可以重复。

底层实现是skiplist （跳跃表）

每个member不仅对应一个指定的score，还会根据先后顺序自动对应一个从0开始的索引。-1 可以代表最后一个成员。该索引是实时更新的，于分数值有关，

它相当于一个分数排名！！！只不过这个排名是从0开始的。

|命令	|描述|
------ | ---------
|ZADD key score1 member1 [score2 member2]	|将一个或多个成员元素及其分数值加入到有序集当中。如果某个成员已经是有序集的成员，那么更新这个成员的分数值，并通过重新插入这个成员元素，来保证该成员在正确的位置上,分数值可以是整数值或双精度浮点数;如果有序集合 key 不存在，则创建一个空的有序集并执行 ZADD 操作;当 key 存在但不是有序集类型时，返回一个错误。|
|ZCARD key	|获取有序集合的成员数|
|ZCOUNT key min max|	计算在有序集合中指定区间分数的成员数|
|ZINCRBY key increment member|	有序集合中对指定成员的分数加上增量 increment|
|ZRANGE key startindex stopindex [WITHSCORES] [REV]|返回指定索引区间有序集成员。默认返回成员按照分数值从小到大排列。添加withscores 后会在返回值中添加对应分数值。添加 rev会反向排列|
|ZRANGEBYLEX key min max |返回在指定字典区间有序集成员。返回值排列顺序是按照分数值从小到大排列。min 字典中排序位置较小的成员,必须以`[`开头,或者以`(`开头,可使用`-`代替;max 字典中排序位置较大的成员,必须以`[`开头,或者以`(`开头,可使用`+`代替 ｜
|ZRANGEBYSCORE key min max [WITHSCORES]  | 返回指定分数区间的有序集集成员。排列顺序为分数值从小到大。min 较小的分数值，默认为大于等于该值，可以通过添加前缀`（ `使之变成大于 。max 较大的分数值，默认为小于等于该值，可以通过添加前缀`（`使之变成小于。|
|ZRANK key member|	返回有序集合中指定成员的索引|
|ZREM key member [member ...]	|移除有序集合中的一个或多个成员|
|ZREMRANGEBYSCORE key min max	|移除有序集合中给定的分数区间的所有成员|

## 三、 Redis高可用

Redis 通过复制、哨兵、集群，三种技术实现高可用：

* 基于主从复制实现数据的备份，可用于实现读写分离；
* 基于哨兵实现主从切换，主服务器不可用时执行故障转移，解决主服务器的单点问题；
* 数据量大且单类数据可能超过单 redis 服务能力时，可用集群解决，最多可组建拥有2048*8个master节点的redis 集群；

### 主从 master-slave

redis主从模式（master-slave，为保政治正确，已改名master-replica），提供了除持久化外另一种数据的热备功能，也为读写分离提供了途径；

redis主从模式通过复制功能实现，redis提供了SLAVEOF（REPLICAOF），让一个服务器（slave）去复制另一个服务器(master)；

**复制功能的开启**： 通过客户端向服务器发送指令：slaveof(replicaof) host port ，或者在slave配置文件中配置 replicaof 选项；

**注**： slaveof(replicaof) host port 是异步命令，当服务器收到该命令后，会先将host/port保存到服务器状态（redisServer）的masterhost及masterport属性里，然后回复 OK，再开始执行真正的复制操作；

**redis的复制功能的实现**
包括 同步（SYNC/PSYNC） 和 命令传播（command propagate） 两个操作：
* 在刚开启主从同步功能或者断线重连时，使用同步命令让slave的数据状态跟master保持一致；
* 同步后，若master执行写命令，状态又将不一致，通过命令传播让slave执行同样的命令，使状态保持一致；

**同步**：
* SYNC命令：redis2.8之前使用，slave向master发送sync命令，master会执行bgsave命令生成rdb文件，然后把rdb文件发送给slave，slave通过rdb恢复数据，达到与master一致的状态；
* PSYNC命令：因为SYNC命令只能执行全量同步，对于slave断线重连后只需要执行部分重同步就可以达到一致的情况，仍使用SYNC命令有很大的浪费，因为在redis2.8中，提供了 PSYNC 命令来取代 SYNC 命令

**心跳检测**
在命令传播阶段，slave 会定时向 master 发送心跳信息，默认每秒一次，命令格式： REPLCONF ACK <offset>

作用：
* 检测网络通信状态；
* 辅助实现 min-slave 选项；
* 检测命令丢失： 心跳信息会带有slave的offset，master收到心跳后，可以与自己保存的offset对比，大与收到的offset，说明有命令传播失败；

步骤：
1. slave 收到 SLAVEOF <host> <port>命令，设置 master 的地址端口信息，然后回复OK；
2. 向 master 建立套接字连接；
3. 发送 PING 命令；
4. 身份验证，如果 slave 有 masterauth 配置；
5. slave 发送自身端口信息；
6. 进行同步；
7. 命令传播；
注：master 和 slave 需要互为对方的客户端，因为彼此都要向对方发送命令；

### 哨兵 Sentinel

master-slave方案解决了数据的复制问题，但是 当 master 宕机时，slave 并不会自动切换为新的 master，以继续提供服务，于是，Sentinel System 有了用武之地；
由一个或多个 Sentinel 实例组成的 Sentinel System，可以监视任意多个 master 及其 slave，并行使以下职责：

* 监视各服务器运行状态；
* 发现异常进行通知；
* master 下线后从其 slave 中选举新 master，进行故障转移；
* 下线的 master 上线后，将其降级成新 master 的 slave；

**哨兵功能的总结**：
1. 每个 Sentinel 可监视任意多个服务器，每个服务器也可被任意多个 Sentinel 监视；
2. 多个监视同一主服务器的 Sentinel 视为一个集群，在被监视主服务器下线后，该集群将选举出一个 Sentinel Leader，由该 leader 对其进行故障转移；

**故障转移**：
1. 选举 Sentinel leader，用于执行故障转移；
2. 由 Sentinel leader 从故障主服务器的所有从服务器中选一个做新的主服务器；
3. 向选出的新 master 发送 slaveof no one命令，然后一次次的发送INFO命令查看服务器的role角色，当变成 master 说明升级成功；
4. 向其它slave服务器发送slaveof命令，让它们复制新的服务器；
5. 若下线的主服务器上线，则发送slaveof命令，让其降级为从服务器，复制新的主服务器；

**Sentinel节点感知**：
* Sentinel 会向被监视服务器发起两条连接，一条命令连接，一条订阅连接；
* 建立订阅频道后，会在被监视服务器上订阅 —sentinel—:hello频道，并以 2S 一次的频率，向该频道发送消息，以向其它监视该服务器的Sentinel宣示自己的存在；
* Sentinel 通过接收订阅消息并分析，获知与自己监视同一服务器的其它 Sentinel，并在被监视主服务器下线时，与其它 Sentinel 进行选举选出leader，进行故障转移；

**判断下线（主观下线、客观下线）**：
* Sentinel 以每秒一次的频率向其它实例（包括主、从、其它Sentinel）发送PING，并根* 据回复判断服务器是否在线，当一个实例在指定的次数中不能返回有效回复时，会将这个服务器判断为 主观下线
* 判断一个主服务器进入主观下线后，向同样监视这个主服务器的其它Sentinel询问，看是否同意这个主服务器进入主观下线状态；
* 当足够多的 Sentinel 判断主服务器进入主观下线后，将这个主服务器判断为 客观下线
发现主服务器进入客观下线状态后，发起一次故障转移操作；

**选举哨兵头领 Sentinel Leader**：
* 所有节点都会广播一条设置信息，要求所有节点调自己为局部leader；
* 收到广播的节点，若尚未设置自己的局部leader，则按广播设置其为自己的局部leader，并回复OK，否则回复失败；
* 广播的节点按收到的回复，比对是否同一纪元，统计回复OK的数量，若超过半数，则成为全局Leader；
* 若一纪元没有一个节点获得半数以上，则休眠一个随机时间，纪元加一，再次选举，直到选出全局leader；

**选出新的主服务器**：

* 排除下线或者断线的从服务器；
* 排除最近5秒没有回复过 leader Sentinel 的 INFO 命令的从服务器；
* 排除与已下线服务器连接断开超过 down-after-millinseconds * 10的从服务器；
* 根据从服务器优先级，对剩余从服务器排序，选出优先级最高的；
* 若优先级最高的有多个，选出其中复制偏移量最大的；
* 若优先级最高的、偏移量最大的，仍有多个，则按 runid ，选最小的；

### 集群 cluster
通过主从与哨兵，redis即可实现高可用，然额，仍然存在一个问题，单台服务器的内存是有限的，不够用怎么办？redis有缓存淘汰机制，可以解决一部分问题，但业务需求是无限的，当不能过期与淘汰的数据大到一台主机不够用时，怎么办呢？SO，跟所有其它分布式系统一样，还需要横向扩展能力，幸好，自redis3.0开始，开始提供集群功能；

**启动集群**： 当redis 服务器以集群模式启动时，即成为一个 节点 ，默认运行在一个只包含自己的集群中，使用cluster meet <host> <port> 命令，可以让服务器把指定的节点加入到自己所在的集群中，假设向服务器 A 发送命令：cluster meet 127.0.0.1 12345，假设监听端口12345 的服务器为B，那么节点A和节点B将首先进行**握手** ：

1. A 为B 创建一个clusterNode结构，并添加到自己的clusterState.nodes字典中；
2. A 根据 cluster meet 命令指定的地址和端口，向节点B发送meet消息；
3. B 节点收到 A 的消息，为节点A创建一个clusterNode结构，并添加到自己的clusterState.nodes结构中，然后向 A 回复一条 PONG 消息；
4. A 收到 PONG消息可知 B 已收到自己的握手消息，再次发一条确认消息 PING；
5. B 收到 A 发送的 PING消息，握手完成；
6. 完成握手后，A 会通过Gossip协议向集群内的其它节点发送节点B的消息，其它服务器也会与B进行握手，最终，集群内所有服务器都将感知其它服务器，保存有其它服务的clusterNode结构，并与之建立通信；

**槽指派**： redis 集群内部，通过分片的方式来保存键值数据，每个分片称之为一个槽（slot），共有0-16383共计16384个槽（2048 * 8）； 集群建立后，处于未上线状态，需要进行槽指派后，才上线并开始提供服务；

**集群命令执行**： 集群中因为数据分片存储，执行命令的过程稍微有一点差异：收到命令后，先对key进行hash映射取得该Key的槽号，然后判断该槽是否归自己处理，若是则执行命令，否则取得负责该槽的节点，返回一个MOVED错误，并把该节点信息返回，引导客户端向正确的节点请求服务；

* 该槽归自己处理，进行处理；
* 该槽不归自己处理，返回一个MOVED错误，并把负责处理该槽的节点信息返回，引导客户端向正确的节点请求服务；
* 该槽数据目前正在迁移：
    * 首先在自己的库中查找该键，若存在，处理；
    * 若不存在，返回ASK错误，并给出新节点信息，引导客户端向新节点请求服务；客户端需要先向新节点发送asking命令，再发送正式的命令，否则将会收到一个moved错误
注：正在被导入的槽和数据，不算归自己管，只有导入完成后，才会集群内广播

**关于集群的内部结构**：
* clusterNode： 表示一个节点
* clusterLink： 表示一个节点的连接信息
* clusterState： 每个节点都保存着一个clusterState，记录了以当前节点为视角，集群目前所处的状态，如是否在线、包含多少节点、当前配置纪元等等；其中两个属性记录了所有槽指派信息：
    * clusterState.slots： char数组，长度2048（16384/8），用每一个二进制位表示一个槽是否归当前节点处理，为0表示不归我管；
    * clusterState.numslots：当前节点负责处理的槽的数量，即slots数组中位的值为1的数量；
    * clusterState.nodes：clusterNode结构数组，长度16384

**为什么是16384个槽** :由记录槽指派信息的结构可知，其实是2048，redis节点维护一个长度2048的char数组，用数组元素中的每一位表示一个槽，而char的长度为8位，于是共可以存储2048*8=16384个槽；

最后修改：2021 年 12 月 27 日 09 : 52 AM