DAY 66 数据库缓存服务——NoSQL之Redis配置与优化

news2024/12/24 2:30:38

缓存概念

缓存是为了调节速度不一致的两个或多个不同的物质的速度，在中间对速度较慢的一方起到加速作用，比如CPU的一级、二级缓存是保存了CPU最近经常访问的数据，内存是保存CPU经常访问硬盘的数据，而且硬盘也有大小不一的缓存，甚至是物理服务器的raid 卡有也缓存，都是为了起到加速CPU 访问硬盘数据的目的，因为CPU的速度太快了，CPU需要的数据由于硬盘往往不能在短时间内满足CPU的需求，因此CPU缓存、内存、Raid 卡缓存以及硬盘缓存就在一定程度上满足了CPU的数据需求，即CPU 从缓存读取数据可以大幅提高CPU的工作效率

系统缓存

buffer与cache：

  • buffer： 缓冲也叫写缓冲，一般用于写操作，可以将数据先写入内存再写入磁盘，buffer 一般用于写缓冲，用于解决不同介质的速度不一致的缓冲，先将数据临时写入到里自己最近的地方，以提高写入速度，CPU会把数据先写到内存的磁盘缓冲区，然后就认为数据已经写入完成看，然后由内核在后续的时间在写入磁盘，所以服务器突然断电会丢失内存中的部分数据。

  • cache： 缓存也叫读缓存，一般用于读操作，CPU读文件从内存读，如果内存没有就先从硬盘读到内存再读到CPU，将需要频繁读取的数据放在里自己最近的缓存区域，下次读取的时候即可快速读取

缓存保存位置及分层结构

  • 用户层：浏览器DNS缓存,应用程序DNS缓存,操作系统DNS缓存客户端
  • 代理层：CDN,反向代理缓存
  • Web层：Web服务器缓存
  • 应用层：页面静态化
  • 数据层：数据分布式缓存,库
  • 系统层：操作系统cache
  • 物理层：磁盘cache, Raid Cache

DNS缓存

浏览器的DNS缓存默认为60秒，即60秒之内在访问同一个域名就不在进行DNS解析。

应用层缓存

Nginx、PHP等web服务可以设置应用缓存以加速响应用户请求，另外有些解释性语言，比如：PHP/Python/Java不能直接运行，需要先编译成字节码，但字节码需要解释器解释为机器码之后才能执行，因此字节码也是一种缓存，有时候还会出现程序代码上线后字节码没有更新的现象。所以一般上线新版前,需要先将应用缓存清理,再上线新版。

另外可以利用动态页面静态化技术,加速访问,比如:将访问数据库的数据的动态页面,提前用程序生成静态页面文件html 电商网站的商品介绍,评论信息非实时数据等皆可利用此技术实现。

 数据层缓存

分布式缓存服务：

  • Redis
  • Memcached

数据库：

  • MySQL 查询缓存
  • innodb缓存、MYISAM缓存

 硬件缓存

  • CPU缓存（L1的数据缓存和L1的指令缓存）、二级缓存、三级缓存
  • 磁盘缓存：Disk Cache
  • 磁盘阵列缓存：Raid Cache，可使用电池防止断电丢失数据

关系型数据库与非关系型数据库

关系型数据库

  • 关系型数据库是一个结构化的数据库，创建在关系模型(二维表格模型)基础上，一般面向于记录。
  • SQL语句（标准数据查询语言）就是一种基于关系型数据库的语言，用于执行对关系型数据库中数据的检索和操作。
  • 主流的关系型数据库包括Oracle、 MySQL、SQL Server、Microsoft Access、 DB2、PostgreSQL 等。

以上数据库在使用的时候必须先建库建表设计表结构，然后存储数据的时候按表结构去存，如果数据与表结构不匹配就会存储失败。

非关系型数据库

  • NoSQL（NoSQL=NotonlysQL），意思是“不仅仅是SQL"，是非关系型数据库的总称。
  • 除了主流的关系型数据库外的数据库，都认为是非关系型。
  • 不需要预先建库建表定义数据存储表结构，每条记录可以有不同的数据类型和字段个数(比如微信群聊里的文字、图片、视频、音乐等)。
  • 主流的NOSQL 数据库有Redis、MongBD、 Hbase（分布式非关系型数据库，大数据使用）、Memcached、ElasticSearch（简称ES，索引型数据库）、TSDB（时续型数据库） 等

关系型数据库和非关系型数据库区别：

（1）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。（很容易切换数据类型，一个数据集当中有多种数据类型）

（2）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个表，这都需要通过提高计算机性能来克服。虽然SQI数据库有很大打展空间，但最终肯定会达到纵向扩展的上限。（数据一般存储在本地的文件系统中。读可以通过读写分离、负载均衡来分摊性能，但读写仍然很消耗IO性能）
  • 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。（数据分布存储在不同服务器上，可以并发地读写，加快效率）

小贴士：

  • 横向扩展：加服务器。（比较便宜）
  • 纵向扩展：提高硬件配置，比如换更高性能的CPU、加CPU核数、硬盘、磁盘IO、内存条。（除硬盘外，其他需要停机才能加）

（3）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。
  • 非关系型数据库在事务的处理和稳定性方面，不如关系型数据库。但读写性能好、易于扩展，处理大数据方面占优势。

关系型数据库：特别适合高事务性要求和需要控制执行计划的任务，事务细粒度控制更好。

非关系型数据库：事务控制会稍显弱势，其价值点在于高扩展性和大数据量处理方面

非关系型数据库产生背景

可用于应对Web2.0纯动态网站类型的三高问题。

（1）High performance —— 对数据库高并发读写需求。

（2）Hugestorage——对海量数据高效存储与访问需求。

（3）HighScalability&&HighAvailability——对数据库高可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。让关系型数据库关注在关系上和对数据的一致性保障，非关系型数据库关注在存储和高效率上。例如，在读写分离的MySQI数据库环境中，可以把经常访问的数据（即高热数据）存储在非关系型数据库中，提升访问速度

2.5 总结

关系型数据库:

  • 实例-->数据库-->表(table)-->记录行(row)、数据字段(column)

非关系型数据库:

  • 实例-->数据库-->集合(collection) -->键值对(key-value)

  • 非关系型数据库不需要手动建数据库和集合(表)。

Redis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

Redis具有以下几个优点：

（1）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。

（2）支持的数据结构： key-value，支持丰富的数据类型：Strings、 Lists、Hashes、 Sets 及Sorted Sets 等数据类型操作。

  • Strings 字符串型
  • Lists 列表型
  • Hashes 哈希（散列）
  • Sets 无序集合
  • Sorted Sets 有序集合（或称zsets）

（redis也可以做消息队列，可以通过Sorted Sets实现）

（3）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。

（4）原子性： Redis所有操作都是原子性的。（支持事务，所有操作都作为事务）

（5）支持数据备份： 即 master-salve 模式的数据备份。（支持主从复制）

Redis缺点

  1. 缓存和数据库双写一致性问题
  2. 缓存雪崩问题
  3. 缓存击穿问题
  4. 缓存## Redis的适用场景
  • Redis作为基于内存运行的数据库，是一个高性能的缓存，一般应用在session缓存、 队列、排行榜、计数器、最近最热文章、最近最热评论、发布订阅等。
  • Redis适用于数据实时性要求高、数据存储有过期和淘汰特征的、不需要持久化或者只需要保证弱一致性、逻辑简单的场景。

Redis为什么这么快?

  • 1、Redis是一款纯内存结构，避免了磁盘 I/O 等耗时操作。（基于内存运行）

  • 2、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。（单线程模型）

  • 3、采用了 I/O 多路复用机制，大大提升了并发效率。（epoll模式）

注：

linux系统中有两种I/O类型：磁盘I/O，网络请求I/O。

在Redis6.0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。

Redis与memcached比较

 Redis安装部署

关闭防火墙
systemctl stop firewalld
setenforce 0
#安装依赖环境
yum install -y gcc gcc-c++ make
 
#解压文件到指定文件夹 opt
tar zxvf redis-5.0.7.tar.gz -C /opt/
cd /opt/redis-5.0.7/
#安装
make
make PREFIX=/usr/local/redis install
#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
cd /opt/redis-5.0.7/utils
./install_server.sh
……
慢慢回车
Please select the redis executable path []
手动输入
/usr/local/redis/bin/redis-server
 
#创建软链接
ln -s /usr/local/redis/bin/* /usr/local/bin/
 
/etc/init.d/redis_6379 stop				#停止
/etc/init.d/redis_6379 start			#启动
/etc/init.d/redis_6379 restart			#重启
/etc/init.d/redis_6379 status	
 
vim /etc/redis/6379.conf
 
70行，添加 监听的主机地址
bind 127.0.0.1 192.168.137.10				
 
93行，Redis默认的监听端口
port 6379									
 
137行，启用守护进程
daemonize yes							
 
159行，指定 PID 文件
pidfile /var/run/redis_6379.pid				
 
167行，日志级别
loglevel notice								
 
172行，指定日志文件
logfile /var/log/redis_6379.log				
------------------------------------------
#重启服务
/etc/init.d/redis_6379 restart

解压软件包并进行编译

安装到指定目录

 执行软件包提供的脚本文件并作软连接

 启动redis服务并查看

进入配置文件添加监听主机

重启服务

 

  Redis 命令工具

  • redis-server：用于启动Redis的工具
  • redis-benchmark：用于检测Redis在本机的运行效率
  • redis-check-aof：修复AOF持久化文件
  • redis-check-rdb：修复RDB持久化文件
  • redis-cli：Redis命令行工具

redis-cli命令行工具

语法：redis-cli -h host -p port -a password 
 
-h：指定远程主机
-p：指定Redis服务的端口号
-a：指定密码，未设置数据库密码可以省略-a选项若不添加任何选项表示，则使用127.0.0.1:6379连接本机上的Redis数据库  
redis-cli -h 192.168.137.10 -p 6379     #登录指定主机redis
redis-cli                               #登录本机redis

 

 redis-benchmark测试工具

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

 基本的测试语法：redis-benchmark [选项] [选项值]
选项作用
-h指定服务器主机名
p指定服务器端口
-s指定服务器socket
-n指定请求数
-d以字节的形式指定SET/GET值的数据大小
-k1=keep alive 0=reconnect
-rSET/GET/INCR 使用随机 key，sADD使用随机值
-P通过管道传输<numerq>请求
--csv以csv格式输出。
-l(小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(大I)Idle模式。仅打开N个idle连接并等待

向IP地址为192.168.137.10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

redis-benchmark -h 192.168.137.10 -p 6379 -c 100 -n 100000
#测试存取大小为100字节的数据包的性能
redis-benchmark -h 192.168.137.10 -p 6379 -q -d 100
 
#测试本机上Redis服务在进行 set与1push操作时的性能
redis-benchmark -t set,lpush -n 100000 -q

 Redis数据库常用命令

不区分大小写

 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
redis-cli
127.0.0.1:6379> set name my  #设置name值为my
OK
127.0.0.1:6379> get name     #查看name的值
"my"

 查看数据库中键的情况

 keys    命令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。
 exists  命令可以判断键值是否存在。
 del     命令可以删除当前数据库的指定 key。
 type    命令可以获取 key 对应的 value 值类型。

keys查看数据库中的键

  keys ? 与 keys *

set qq 1
set qq1 2
set q2 3
set q4 4
keys q?
keys q*

  keys ??

exists命令可以判断键值是否存在。

 exists qq#判断 qq键是否存在
 #1表示 qq键是存在
 exists q
 #0表示q键不存在

 del命令可以删除当前数据库的指定key。

del 键名

 type 命令可以获取key对应的value值类型。

type 键名

 rename 命令是对已有key 进行重命名。

（覆盖）命令格式：rename 源key 目标key

使用rename命令进行重命名时，无论目标key是否存在都进行重命名，且源key的值会覆盖目标key的值。在实际使用过程中，建议先用exists命令查看目标key是否存在，然后再决定是否执行rename命令，以避免覆盖重要数据

 renamenx命令

renamenx命令是对已有key进行重命名，并检测新名是否存在，如果目标key存在则不进行重命名

 （不覆盖）命令格式：renamenx 源key 目标key

 dbsize命令查看当前数据库中key的数目。

dbsize

 使用config set requirepass 密码命令设置密码

config set requirepass 密码

使用config get requirepass命令查看密码（一旦设置密码，必须先验证通过密码，否则所有操作不可用）

config get requirepass

删除密码

 config  set requirepass ''

Redis 多数据库常用命令

  • Redis 支持多数据库，Redis 默认情况下包含 16 个数据库，数据库名称是用数字 0-15 来依次命名的。
  • 多数据库相互独立，互不干扰

多数据库间切换

 命令格式：select 序号

使用 redis-cli 连接 Redis 数据库后，默认使用的是序号为 0 的数据库

多数据库间移动数据

 格式：move 键值 序号

清除数据库内数据

 FLUSHDB ：清空当前数据库数据
 FLUSHALL ：清空所有数据库的数据，慎用！

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