非关系型数据库——Redis配置与优化

一、关系型数据库和非关系型数据库

1.定义

1.1关系型数据库

1.2非关系型数据库

2.非关系型数据库产生的背景

3.关系型数据库和非关系型数据库区别

3.1适用性不同

3.2数据一致性要求不同

3.3数据模型不同

3.4数据查询语言不同

3.5数据存储方式不同

3.6扩展方式不同

3.7对事务性的支持不同

二、Redis概述

1.简介

2.特点

3.Redis为什么这么快

3.1完全基于内存

3.2高效的内存数据结构

3.3单线程模型

3.4IO多路复用技术

三、Redis部署及基本操作

1.安装Redis

2.Redis服务控制

3.Redis配置文件

4.登入Redis——Redis-cli命令行工具

5.测试工具——Redis-benchmark

6.Redis数据库常用命令

6.1Set、Get

6.2Keys

四、总结

1.关系型数据库和非关系型数据库的区别

1.1关系型数据库

1.2非关系型数据库

2.数据存储流向

2.1非关系型数据库

2.2关系型数据库

3.Redis概念

4.Redis为什么这么快

4.1Redis优点

4.2为什么快

一、关系型数据库和非关系型数据库

1.定义

1.1关系型数据库

一个结构化的数据库，创建在关系模型上
一般面向于记录
常见的关系型数据库：Oracle、Mysql、SQL Server、Microsoft Access、DB2、PostgreSQL等

1.2非关系型数据库

除了主流的关系型数据库外的数据库，都认为是非关系型
常见的非关系型数据库：Redis、MongoDB、Hbase、CouhDB

MongoDB可以做水平伸缩，但不支持连接，有嵌套的非关系型语句，会增加内存消耗，使用率较低；目前主流的非关系型数据库还是Redis数据库，可以做持久化、支持大型数据和高并发

2.非关系型数据库产生的背景

High performance——对数据库高并发读写需求
Huge Storage——对海量数据高效存储与访问需求
High Scalability && High Availability——对数据库高扩展性与高可用性需求

关系型数据库和非关系型数据库都有各自的特点与应用场景，两者的紧密结合将会给Web2.0的数据库发展带来新的思路。让关系数据库关注在关系上，非关系型数据库关注在存储上。例如，在读写分离的MySQL数据库环境中，可以把经常访问的数据存储在非关系型数据库中，提升访问速度（假设搭建一个网站，日访问量一万多，适用于非关系型数据库[网站存放数据，当然会用到数据库，但是日均访问量只有一万多的话关系型数据库可以承载访问量；那么如果是日均百万级的访问，那么要将关系型和非关系型数据库结合使用了]）。

3.关系型数据库和非关系型数据库区别

3.1适用性不同

关系型数据库通常用于处理结构化数据，如用户账号、地址等
关系型数据库则适用于半结构化数据，如文章、评论、图片等

3.2数据一致性要求不同

关系型数据库强调数据的一致性，确保数据的完整性和一致性
非关系型数据库则更加关注数据的可用性和灵活性，通常采用最终一致性模型。

3.3数据模型不同

关系型数据库采用ACID（原子性、一致性、隔离性、持久性）的事务模型
非关系型数据库则通常采用BASE（基本可用、软状态、最终一致性）模型。

3.4数据查询语言不同

关系型数据库通常使用结构化查询语言（SQL）进行数据查询
非关系型数据库则使用简单的键值对查询语言，如MongoDB的查询语言

3.5数据存储方式不同

关系型和非关系型数据库的主要差异是数据存储的方式。关系型数据天然就是表格式的，因此存储在数据表的行和列中。数据表可以彼此关联协作存储，也很容易提取数据。
与其相反，非关系型数据不适合存储在数据表的行和列中，而是大块组合在一起。非关系型数据通常存储在数据集中，就像文档、键值对或者图结构。你的数据及其特性是选择数据存储和提取方式的首要影响因素。

3.6扩展方式不同

SQL和NoSQL数据库最大的差别可能是在扩展方式上，要支持日益增长的需求当然要扩展。要支持更多并发量，SQL数据库是纵向扩展，也就是说提高处理能力，使用速度更快速的计算机，这样处理相同的数据集就更快了。因为数据存储在关系表中，操作的性能瓶颈可能涉及很多克服。虽然SQL数据库有很大扩展空间，但最终肯定会达到纵向扩展的上限个表，这都需要通过提高计算机性能来。
而NoSQL数据库是横向扩展的。因为非关系型数据存储天然就是分布式的，NoSQL数据库的扩展可以通过给资源池添加更多普通的数据库服务器(节点)来分担负载。
关系型数据库：纵向（硬件中添加内存）
非关系型数据库：横向（扩展数据库服务器）

3.7对事务性的支持不同

如果数据操作需要高事务性或者复杂数据查询需要控制执行计划，那么传统的SQL数据库从性能和稳定性方面考虑是你的最佳选择。SQL数据库支持对事务原子性细粒度控制，并且易于回滚事务。
虽然NoSQL数据库也可以使用事务操作，但稳定性方面没法和关系型数据库比较，所以它们真正闪亮的价值是在操作的扩展性和大数据量处理方面。

二、Redis概述

1.简介

Redis（远程字典服务器）是一个开源的、使用 C 语言编写的 NoSQL 数据库。
Redis 基于内存运行并支持持久化，采用key-value（键值对）的存储形式，是目前分布式架构中不可或缺的一环。

Redis服务器程序是单进程模型，也就是在一台服务器上可以同时启动多个Redis进程，Redis的实际处理速度则是完全依靠于主进程的执行效率。若在服务器上只运行一个Redis进程，当多个客户端同时访问时，服务器的处理能力是会有一定程度的下降；若在同一台服务器上开启多个Redis进程，Redis在提高并发处理能力的同时会给服务器的CPU造成很大压力。即：在实际生产环境中，需要根据实际的需求来决定开启多少个Redis进程。若对高并发要求更高一些，可能会考虑在同一台服务器上开启多个进程。若CPU资源比较紧张，采用单进程即可。

2.特点

具有极高的数据读写速度：数据读取的速度最高可达到 110000 次/s，数据写入速度最高可达到 81000 次/s。
支持丰富的数据类型：支持 key-value、Strings、Lists、Hashes、Sets 及 Sorted Sets 等数据类型操作。
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。
原子性：Redis 所有操作都是原子性的。
支持数据备份：即 master-salve 模式的数据备份。

3.Redis为什么这么快

Redis是一款纯内存结构，避免了磁盘I/o等耗时操作。
Redis命令处理的核心模块为单线程，减少了锁竞争，以及频繁创建线程和销毁线程的代价，减少了线程上下文切换的消耗。
采用了 I/O 多路复用机制，大大提升了并发效率。

注意：在 Redis 6.0 中新增加的多线程也只是针对处理网络请求过程采用了多线性，而数据的读写命令，仍然是单线程处理的。

3.1完全基于内存

Redis作为一种内存导向型数据库系统，其关键特性在于将所有数据实体，包括键值对及其相关的复杂数据结构，完全寄宿于内存之中。相较于依赖磁盘存储的传统数据库系统，Redis巧妙地运用内存的高速读写特性，显著提升了系统的响应速率与整体性能表现。

内存相对于磁盘具备无可比拟的读写速度优势，使得Redis能够即时、高效地处理数据存取。在读取操作层面，Redis无需经过耗时的磁盘I/O过程，只需在内存空间内迅速定位所需数据，从而显著降低了访问延迟；而在写入操作时，Redis同样直接作用于内存区域，新数据能即刻生效，仅在执行持久化策略时，例如RDB快照或AOF日志记录，数据才会被异步地或按需地同步至磁盘，以确保即使在系统重启后数据仍能得以恢复，但此过程并不会妨碍Redis在常规操作中维持其卓越的性能表现。

Redis利用内存进行数据存储，其操作基于内存读写，由于内存访问速度远超硬盘，使得Redis在处理数据时具有极高的读写速度。特别是对于简单的存取操作，由于线程在内存中执行的时间非常短，主要的时间消耗在于网络I/O，因此Redis在处理大量快速读写请求时表现出卓越的性能。

3.2高效的内存数据结构

Redis作为一个内存数据库系统，提供了丰富且高效的内存数据结构，包括字符串（String）、列表（List）、集合（Set）、有序集合（Sorted Set）、哈希（Hash）等。这些数据结构不仅具有简单易用的特点，还能够在内存中高效地存储和操作数据，为Redis的快速性能提供了坚实的基础。

Redis的整体设计围绕高效数据结构展开，其中包括但不限于全局哈希表（字典），该结构提供O(1)的平均时间复杂度，并通过rehash操作动态调整哈希桶数量，减少哈希冲突，采用渐进式rehash避免一次性操作过大导致的阻塞。
除此之外，Redis还广泛应用了多种优化过的数据结构，如压缩表（ziplist）用于存储短数据以节省内存，跳跃表（skiplist）用于有序集合提供快速的范围查询，以及其他如列表、集合等数据结构，均针对不同场景进行深度优化，确保了在读取和操作数据时的高性能。

3.3单线程模型

Redis采用单线程模型处理客户端请求，这一设计确保了操作的原子性，避免了多线程环境下的上下文切换和锁竞争问题。这使得Redis在处理命令请求时能够保持高度的确定性和一致性，同时也简化了编程模型，降低了并发控制的复杂性。

3.4IO多路复用技术

Redis通过采用IO多路复用模型，如epoll，能够在一个线程中高效地处理多个客户端连接。单线程轮询监听多个套接字描述符，并将数据库的读、写、连接建立和关闭等操作转化为事件，通过自定义的事件分离器和事件处理器来高效地处理这些事件，从而避免了在等待IO操作时的阻塞。

三、Redis部署及基本操作

#操作准备
systemctl stop firewalld
#关闭防火墙
setenforce 0
#关闭核心防护

1.安装Redis

yum install gcc gcc-c++ make -y
#安装编译工具
[root@localhost opt]#rz -E
rz waiting to receive.
[root@localhost opt]#ls
redis-5.0.7.tar.gz
[root@localhost opt]#tar zxvf redis-5.0.7.tar.gz
[root@localhost opt]#ls
redis-5.0.7  redis-5.0.7.tar.gz
[root@localhost opt]#cd redis-5.0.7/
[root@localhost redis-5.0.7]#ls
00-RELEASENOTES  deps       README.md        runtest-moduleapi  tests
BUGS             INSTALL    redis.conf       runtest-sentinel   utils
CONTRIBUTING     Makefile   runtest          sentinel.conf
COPYING          MANIFESTO  runtest-cluster  src
[root@localhost redis-5.0.7]#make
#由于Redis源码包中直接提供了 Makefile 文件，所以在解压完软件包后，不用先执行 ./configure 进行配置，可直接执行 make 与 make install 命令进行安装。
[root@localhost redis-5.0.7]#make prefix=/usr/local/redis install
[root@localhost redis-5.0.7]#ls
00-RELEASENOTES  deps       README.md        runtest-moduleapi  tests
BUGS             INSTALL    redis.conf       runtest-sentinel   utils
CONTRIBUTING     Makefile   runtest          sentinel.conf
COPYING          MANIFESTO  runtest-cluster  src
[root@localhost redis-5.0.7]#cd utils/
[root@localhost utils]#pwd
/opt/redis-5.0.7/utils
[root@localhost utils]#ls
build-static-symbols.tcl  hashtable          redis_init_script.tpl
cluster_fail_time.tcl     hyperloglog        redis-sha1.rb
corrupt_rdb.c             install_server.sh  releasetools
create-cluster            lru                speed-regression.tcl
generate-command-help.rb  redis-copy.rb      whatisdoing.sh
graphs                    redis_init_script
[root@localhost utils]# ./install_server.sh 
#执行软件包提供的 install_server.sh 脚本文件设置 Redis 服务所需要的相关配置文件
Welcome to the redis service installer
This script will help you easily set up a running redis server

Please select the redis port for this instance: [6379] 
#确认是否是6379端口
Selecting default: 6379
Please select the redis config file name [/etc/redis/6379.conf] 
#确认是否是这个位置的配置文件
Selected default - /etc/redis/6379.conf
Please select the redis log file name [/var/log/redis_6379.log] 
#确认是否是这个位置的日志位置
Selected default - /var/log/redis_6379.log
Please select the data directory for this instance [/var/lib/redis/6379] 
#确认是否是这个文件路径
Selected default - /var/lib/redis/6379
Please select the redis executable path [/usr/local/bin/redis-server] 
#可执行数据文件
Selected config:
Port           : 6379
#默认侦听端口为6379
Config file    : /etc/redis/6379.conf
#配置文件路径
Log file       : /var/log/redis_6379.log
#日志文件路径
Data dir       : /var/lib/redis/6379
#数据文件路径
Executable     : /usr/local/bin/redis-server
#可执行文件路径
Cli Executable : /usr/local/bin/redis-cli
#客户端命令工具
Is this ok? Then press ENTER to go on or Ctrl-C to abort.
Copied /tmp/6379.conf => /etc/init.d/redis_6379
Installing service...
Successfully added to chkconfig!
Successfully added to runlevels 345!
Starting Redis server...
Installation successful!
[root@localhost utils]#ls /usr/local/bin/
redis-benchmark  redis-check-rdb  redis-sentinel
redis-check-aof  redis-cli        redis-server
#如果该目录下没有redis-server需要执行ln -s /usr/local/redis/bin/* /usr/local/bin/把redis的可执行程序文件放入路径环境变量的目录中便于系统识别
[root@localhost utils]#netstat -natp|grep 6379
tcp        0      0 127.0.0.1:6379          0.0.0.0:*               LISTEN      12979/redis-server

2.Redis服务控制

[root@localhost utils]#/etc/init.d/redis_6379 stop
#Redis服务停止
Stopping ...
Redis stopped
[root@localhost utils]#netstat -natp|grep 6379
tcp        0      0 127.0.0.1:6379          127.0.0.1:47990         TIME_WAIT   -                   
[root@localhost utils]#/etc/init.d/redis_6379 start
#Redis服务开启
Starting Redis server...
[root@localhost utils]#netstat -natp|grep 6379
tcp        0      0 127.0.0.1:6379          0.0.0.0:*               LISTEN      13032/redis-server  
tcp        0      0 127.0.0.1:6379          127.0.0.1:47990         TIME_WAIT   -                   
[root@localhost utils]#/etc/init.d/redis_6379 restart
#Redis服务重启
Stopping ...
Redis stopped
Starting Redis server...
[root@localhost utils]#netstat -natp|grep 6379
tcp        0      0 127.0.0.1:6379          0.0.0.0:*               LISTEN      13056/redis-server  
tcp        0      0 127.0.0.1:6379          127.0.0.1:47992         TIME_WAIT   -                   
tcp        0      0 127.0.0.1:6379          127.0.0.1:47990         TIME_WAIT   -                   
[root@localhost utils]#/etc/init.d/redis_6379 status
#查看Redis服务状态
Redis is running (13056)

3.Redis配置文件

[root@localhost utils]#vim /etc/redis/6379.conf 


[root@localhost utils]#sed -n 70p /etc/redis/6379.conf 
bind 127.0.0.1 192.168.241.11
#添加 监听的主机地址
[root@localhost utils]#sed -n 93p /etc/redis/6379.conf 
port 6379
#Redis默认的监听端口
[root@localhost utils]#sed -n 137p /etc/redis/6379.conf 
daemonize yes
#启用守护进程
[root@localhost utils]#sed -n 159p /etc/redis/6379.conf 
pidfile /var/run/redis_6379.pid
#指定 PID 文件
[root@localhost utils]#sed -n 167p /etc/redis/6379.conf 
loglevel notice
#日志级别
[root@localhost utils]#sed -n 172p /etc/redis/6379.conf 
logfile /var/log/redis_6379.log
#指定日志文件


/etc/init.d/redis_6379 restart

4.登入Redis——Redis-cli命令行工具

redis-cli -h host -p port -a password

选项	含义
-h	指定远程主机
-p	指定Redis服务端口号
-a	指定密码，未设置数据库密码可以省略该选项

[root@localhost utils]#redis-cli
127.0.0.1:6379>
#可以直接通过回环地址登录Redis数据库
[root@localhost utils]#redis-cli -h 192.168.241.11 -p 6379
#指定主机192.168.241.11  指定端口6379登入Redis数据库
192.168.241.11:6379>

5.测试工具——Redis-benchmark

redis-benchmark 是官方自带的 Redis 性能测试工具，可以有效的测试 Redis 服务的性能。

redis-benchmark [选项] [选项值]

选项	含义
-h	指定服务器主机名
-p	指定服务器端口
-s	指定服务器 socket
-c	指定并发连接数
-n	指定请求数
-d	以字节的形式指定 SET/GET 值的数据大小
-k	1=keep alive 0=reconnect
-r	SET/GET/INCR 使用随机 key, SADD 使用随机值
-P	通过管道传输<numreq>请求
-q	强制退出 redis。仅显示 query/sec 值
--csv	以 CSV 格式输出
-l	生成循环，永久执行测试
-t	仅运行以逗号分隔的测试命令列表
-I	Idle 模式。仅打开 N 个 idle 连接并等待

[root@localhost utils]#redis-benchmark -h 192.168.241.11 -p 6379 -c 150 -n 100000
#向IP地址为192.168.241.11 端口为6379 的Redis服务器 发送100个并发连接与100000个请求测试性能

6.Redis数据库常用命令

set：存放数据，命令格式为set key value
get：获取数据，命令格式为get key
keys：可以取符合规则的键值列表，通常情况可以结合*、？等选项来使用

6.1Set、Get

[root@localhost utils]#redis-cli -h 192.168.241.11 -p 6379
192.168.241.11:6379> set class group
OK
192.168.241.11:6379> get class
"group"
192.168.241.11:6379> set v2 cxk
OK
192.168.241.11:6379> set v2 wyb
OK
192.168.241.11:6379> set v3 zj
OK

6.2Keys

192.168.241.11:6379> keys *
#查看当前数据库中所有键
192.168.241.11:6379> keys v*
1) "v3"
2) "v2"

192.168.241.11:6379> keys c*
#查看当前数据库中以c开头的数据
1) "class"
2) "counter:__rand_int__"

192.168.241.11:6379> keys v?
#查看当前数据库中以v开头后面包含任意一位的数据
1) "v3"
2) "v2"

192.168.241.11:6379> set v22 cxk
OK
192.168.241.11:6379> keys v??
#可以查看当前数据库v开头的后面任意两位的数据
1) "v22"

192.168.241.11:6379> exists v22
(integer) 1
192.168.241.11:6379> exists v5
(integer) 0
#exists判断真假  有该键输出结果为1   无该键输出结果为0

四、总结

1.关系型数据库和非关系型数据库的区别

1.1关系型数据库

安全性高（持久化）
事务处理能力强
任务控制强
可以做日志备份、恢复、容灾（容灾能力更强一点）

1.2非关系型数据库

数据保存在缓存中，读取和查询速度快，利于读取和查询
架构位置灵活
分布式、扩展性高

2.数据存储流向

2.1非关系型数据库

实例------->数据库------->集合------->键值对

非关系不需要建数据库和集合（表）

2.2关系型数据库

实例------->数据库------->表（table）------->记录行（rows）/数据字段（column）------->存储到数据库中存储数据

3.Redis概念

Redis是一个关系型数据库是一个开源基于内存上运行并且支持持久化，采用键值对（key-value），分布式集群架构

4.Redis为什么这么快

4.1Redis优点

读写速度快
支持丰富的数据类型
支持数据的持久化
操作方式原子性
支持数据备份master-slave

4.2为什么快

数据内存中的结构，避免在磁盘中操作
redis命令是核心模块单线程
IO多路复用机制能提高并发率