1、Redis概述

‌Redis（Remote Dictionary Server），全称为远程字典服务。‌是一个开源的、使用C语言编写的、支持网络交互的、可基于内存也可持久化的Key-Value数据库。

Redis提供了多种数据类型的存储，来适应不同场景下的存储需求。并提供多种语言的API，兼容多种方式的集成。

Redis是一种 NoSQL（not-only sql，泛指非关系型数据库）的数据库，可以用作数据库、缓存、消息中间件、分布式锁等。

2、主要特点

（1）、基于内存

redis是内存数据库，即所有的数据都保存在内存中。所以redis的读写速度相比传统数据库基于磁盘IO的模式来说会快上很多，支持并发 10W QPS（每秒查询量），性能优秀。

（2）、I/O多路复用机制

Redis 是一个高性能的内存数据库，它的核心设计之一就是使用 I/O 多路复用来处理大量的客户端连接。它可以在一个线程中同时处理多个客户端请求，避免了为每个客户端创建独立的线程或进程，从而减少了上下文切换的开销，提高了系统的并发性和性能。
理解：redis是通过一个线程来处理多个客户端的请求（通过 I/O 多路复用实现），意在减少CPU上下文的切换，提升系统的并发性和性能。

重点概念理解下：

1、什么是文件描述符？

文件描述符： 是操作系统为每个打开的文件、套接字、管道等 I/O 资源分配的一个整数标识符。它用于唯一标识进程与某个 I/O 资源之间的连接。
文件描述符是操作系统内核管理 I/O 资源的方式，应用程序通过文件描述符与这些资源进行交互。

简单理解下：
一个进程可以访问多个文件（或其他网络终端或通道连接等）资源，这些访问都需要进程与文件建立连接后才能进行数据传输。操作系统为了能清晰区分这些连接，不导致数据传输错乱，会给每一个的这种连接（进程和文件通信）都添加一个唯一整数标识，就是文件描述符。

如：一个快递站可以给人发快递（快递站如：操作系统），每个人通过快递站给别人寄快递（寄快递如：建立传输连接），快递站需要对这次寄件添加唯一的快递单号（快递单号如：添加文件描述符），这样才能保证寄件的安全对吧。

2、有哪些类型的文件描述符？

（1）、文件：普通文件（如文本文件、图片文件等）。
（2）、套接字：网络连接（如 TCP/UDP 连接）。
（3）、管道：进程间通信的通道。
（4）、设备：如终端、打印机等硬件设备。

（3）、存储方式（key-value）

Redis存储数据都是基于key-value方式，类似于HashMap，其查找和操作的时间复杂度都是O(1)。

（4）、多数据结构支持

Redis提供了丰富的数据类型支持（5+3+1）。这里先介绍下，在后续会有详细示例。
1、String（字符串）：最基本的类型，可以存储字符串、整数或浮点数。支持原子的递增和递减操作。
2、List（列表）：双端链表，可以从两端插入和删除元素。适用于队列和栈的实现。
3、Set（集合）：无序集合，成员是唯一的。支持交集、并集、差集等集合运算。
4、Sorted Set（有序集合）：类似于集合，但是每个成员关联一个分数，可以根据分数排序。
5、Hash（哈希表）：类似于 Java 中的 HashMap，可以存储字段和值的映射关系。适用于对象的存储。
6、Bitmaps（位图）：一种特殊的字符串类型（2进制串），可以用来表示布尔数组，支持高效的位操作。
7、HyperLogLog（基数）：用于估算集合中不同元素的数量，具有很高的空间效率。
基数：大规模数据集中的不同元素。（如：1,2,5,2,3的不同元素为1,2,3,5，即基数为4）。
8、Geospatial Indexes（地理空间索引）：支持地理坐标点的存储和查询，可以计算两点之间的距离、查找附近的点等。
9、Streams（流）：引入于 Redis 5.0，是一种类似消息队列的数据结构，支持消费组和消息回溯等功能。

（5）、支持事务

Redis 提供了简单的事务机制，Redis 事务的本质是一组命令的集合。当执行redis事务时，即一次性按照添加顺序依次执行这些命令，中间不会被打断或者干扰。

Redis 的事务机制并不像关系型数据库中的事务那样提供完整的ACID特性（原子性、一致性、隔离性和持久性），但它确实提供了一种方式来确保一组命令作为一个整体被执行。

（6）、发布/订阅（Pub/Sub）

Redis 发布/订阅（Publish/Subscribe，简称 Pub/Sub）是一种消息传递模式，允许客户端订阅一个或多个通道（channel），并接收其他客户端发布到这些通道的消息。

实现该模式，主要包含3个部分：
1、发布者（Publisher）：发布者可以向指定的通道发送消息。每个消息会被发送给所有订阅了该通道的客户端。
2、订阅者（Subscriber）：订阅者可以订阅一个或多个通道，并接收订阅通道的消息。订阅者不会直接与发布者交互，它们只负责监听通道中的消息。
3、通道（Channel）：通道是消息传递的媒介。发布者将消息发布到特定的通道，订阅者从这些通道接收消息。通道的名字是一个字符串，可以是任意的标识符。

（7）、持久化

前面也说过redis是基于内存的数据库，基于内存大大优化了性能问题。但也面临着意外的风险，比如突然停电或者意外宕机了，重启电脑后内存中的数据就都不存在了！所以为了数据安全一定要做持久化处理（将数据写入到磁盘中），这样即使宕机后重启也可以通过持久化文件将数据恢复。

Redis 的持久化的两种方式：
RDB（默认）：快照形式是直接把内存中的数据保存到 dump.rdb 文件中，定时全量保存，保存的是数据。
AOF：把所有的对 Redis 的服务器进行修改的命令都保存到 appendonly.aof 文件中，定时向文件中追加，保存的是命令。

（8）、主从复制/读写分离

主从复制是 Redis 提供的一种数据冗余机制，允许你创建一个或多个从服务器（Slaves），它们会实时地复制主服务器（Master）的数据。这样可以在主服务器发生故障时提供备份，并且可以分担读取请求的负载，提高系统的整体性能。

读写分离是指将写操作定向到主服务器，而将读操作分散到从服务器上。这有助于减轻主服务器的压力，提升读取性能，因为通常读操作比写操作更频繁。

示例图如下：

原理：
数据同步原理：当主服务器接收到写操作时，它会将这些更改记录到自己的命令日志中（称为 AOF 或 RDB 文件）。然后，主服务器会将这些更改发送给所有连接的从服务器，从服务器接收并应用这些更改。完成数据同步主要分为两个过程：
（1）、初次同步（全量同步）：当一个新的从服务器加入时，它会与主服务器进行全量同步，即从服务器会下载主服务器的一个快照（RDB 文件），并将其加载到内存中。之后，它会继续接收增量更新。
（2）、持续同步（增量同步）：在初次同步完成后，从服务器会持续接收来自主服务器的命令，以保持数据的一致性。

配置方式：
在 redis.conf 中设置 slaveof 来指定主服务器的 IP 和端口。

（9）、哨兵机制（Sentinel）

Redis 哨兵机制（Sentinel）是一个监控和故障转移的机制，用于管理 Redis 主从架构中的节点，以提升redis系统整体的可用性，即实现redis高可用性。
它会自动监控主服务器和从服务器的状态，并在主服务器不可用时自动执行故障转移，选择一个健康的从服务器晋升为主服务器。

工作原理：
（1）、节点监控：Sentinel 持续监控主服务器和从服务器的心跳，以检测它们的健康状态。
（2）、故障通知：当 Sentinel 检测到主服务器不可用时，它会通知其他 Sentinel实例和客户端。
（3）、选举和故障恢复：如果大多数 Sentinel 实例同意主服务器已经失效，它们会投票选出新的主服务器。然后，选中的从服务器会被晋升为主服务器，其余的从服务器会重新配置为新主服务器的从服务器，继续完成工作。
（4）、配置更新：Sentinel 会自动更新客户端的配置信息，使它们能够正确地连接到新的主服务器。

配置方式：
在sentinel.conf文件中定义哨兵实例的配置，包括主服务器的地址、哨兵之间的通信端口等。

（10）、集群（Cluster）

Redis 集群（Cluster）是 Redis 的分布式解决方案，它允许你将数据分布在多个节点上，从而实现水平扩展。集群通过分片（Sharding）技术将键空间划分成多个片段，每个片段由不同的节点负责存储。此外，集群还支持自动故障转移和数据冗余。

工作原理：
（1）、分片：Redis Cluster使用哈希槽（hash slots）来分配键。共有16384个哈希槽，每个键根据其哈希值映射到一个具体的槽，而每个槽可以被分配给任意一个节点。
（2）、故障转移：每个节点都可以有多个从节点，用于提供冗余。如果主节点失败，集群会自动将一个从节点晋升为主节点。
（3）、一致性哈希：客户端在发送请求时，需要计算键对应的哈希槽，然后根据当前的槽-节点映射找到正确的节点。如果槽-节点映射发生变化（例如因为故障转移），客户端需要更新其本地缓存。
（4）、容错能力：即使某些节点失效，只要大多数节点仍然可用，集群就可以继续工作。

配置：
（1）、使用 redis-cli --cluster create 命令来初始化一个新的 Redis Cluster。
（2）、每个节点的 redis.conf 文件中需要启用集群模式（cluster-enabled yes），并配置集群公告 IP 和端口（cluster-announce-ip 和 cluster-announce-port）。

（11）、Lua脚本

Redis 支持使用 Lua 脚本来执行复杂的操作，这为 Redis 提供了更强的灵活性和性能优化能力。通过 Lua 脚本，你可以在服务器端执行一系列命令，而不需要多次往返客户端与服务器之间，从而减少了网络延迟并提高了效率。此外，Lua 脚本是原子性的，这意味着在脚本执行期间，其他客户端的请求不会被处理，确保了数据的一致性。

（12）、丰富的客户端库

Redis 拥有几乎所有编程语言的客户端库，方便开发者集成到各种应用中。

3、单线程模型

Redis 采用单线程模型来处理客户端请求，这意味着在任意时刻只有一个命令被执行。这种设计简化了 Redis 的实现，并确保了高并发环境下的数据一致性。尽管 Redis 是单线程的，但它通过高效的内存管理和网络 I/O 操作，仍然能够处理非常高的吞吐量。

上图即为redis的请求处理流程。可以看到redis接收到用户的请求后，全部推送到一个队列里，然后交给文件事件分派器，而它是单线程的工作方式，所以说 Redis 是单线程的。

4、默认配置

（1）、默认的数据库：redis总共有16个数据库，不指定的话默认连接第0个数据库。每个数据库的数据不共享。

（2）、key和value的限制：
Redis 对键（key）和值（value）的大小以及使用个数有一定的限制，这些限制旨在确保 Redis 的性能和稳定性。
长度限制：
redis的key和value的最大长度上限都是512M。当key大于10k时，称得上是大key。通常建议将键的长度保持在合理的范围内（例如 64 字节以内），以确保高效的内存使用和快速的查找。
数量限制：
Redis 没有明确的键数量限制，理论上可以存储 2^64 - 1 个键（即 18,446,744,073,709,551,615 个键）。然而，实际的键数量取决于你的硬件资源（如内存、CPU 等）和 Redis 的配置。

1byte（字节）= 8bit（位），1k = 1024byte，1M = 1024k，1G = 1024M，bit = 字节，一个汉字占2个bit，一个英文(不区分大小写)占1bit，中文标点占3个bit，英文占1个bit。

学海无涯苦作舟！！！