最近针对中铁一局项目，跟事业部讨论之后需要我们的KF平台能够接入一些开源的数据库，于是这两天研究了一下Redis的原理。
1. Redis的数据存储原理及简述
1.1Redis简述
Redis是一个基于内存且支持持久化的key-value的NoSQL数据库，其中每个key和value都是使用对象表示的，具有以以下特征：多样数据类型、持久化、主从同步。它支持存储的value类型包括string(字符串)、list(链表)、hash(哈希)、set(集合)和zset(有序集合)。这些数据类型都支持push/pop、add/remove及取交集并集和差集及更丰富的操作，而且这些操作都是原子性的。
为了保证效率，Redis数据都是缓存在内存中，且Redis有一个很重要的特点就是它可以实现持久化数据，通过两种方式可以实现数据持久化：使用RDB快照的方式，将内存中的数据不断写入磁盘；或使用类似MySQL的AOF日志方式，记录每次更新的日志。前者性能较高，但是可能会引起一定程度的数据丢失；后者相反。 Redis支持将数据同步到多台从数据库上，这种特性对提高读取性能非常有益。
Redis3.0版本允许单点故障，它没有中心节点，各个节点地位一样，扩展性很好，节点间的采用二进制通信，节点与客户端采用ascII协议通信。
综上所述，Redis作为一个典型的非关系型数据库，Redis可用于缓存、数据库、消息中间件。它十分适合存储少、访问量巨大的场景，所有数据全部in-memory保证了数据的高速访问。
1.2Redis存储原理及实现方式
Redis内部使用一个redisObject对象来表示所有的Key和Value，redisObject最主要的信息如图所示：
type代表一个value对象具体是何种数据类型
encoding是不同数据类型在redis内部的存储方式，比如：type=string代表value存储的是一个普通字符串，那么对应的encoding可以是raw或者是int，如果是int则代表实际redis内部是按数值型类存储和表示这个字符串的，当然前提是这个字符串本身可以用数值表示，比如:"123" "456"这样的字符串。
vm字段，只有打开了Redis的虚拟内存功能，此字段才会真正的分配内存，该功能默认是关闭状态的。
五种数据类型的使用和内部实现方式：
1）String
常用命令：set/get/decr/incr/mget等；
应用场景：String是最常用的一种数据类型，普通的key/value存储都可以归为此类；
实现方式：String在redis内部存储默认就是一个字符串，被redisObject所引用，当遇到incr、decr等操作时会转成数值型进行计算，此时redisObject的encoding字段为int。
2）Hash
常用命令：hget/hset/hgetall等
应用场景：我们要存储一个用户信息对象数据，其中包括用户ID、用户姓名、年龄和生日，通过用户ID我们希望获取该用户的姓名或者年龄或者生日；
实现方式：Redis的Hash实际是内部存储的Value为一个HashMap，并提供了直接存取这个Map成员的接口。如图2所示，Key是用户ID, value是一个Map。这个Map的key是成员的属性名，value是属性值。这样对数据的修改和存取都可以直接通过其内部Map的Key(Redis里称内部Map的key为field), 也就是通过 key(用户ID) + field(属性标签) 就可以操作对应属性数据。当前HashMap的实现有两种方式：当HashMap的成员比较少时Redis为了节省内存会采用类似一维数组的方式来紧凑存储，而不会采用真正的HashMap结构，这时对应的value的redisObject的encoding为zipmap，当成员数量增大时会自动转成真正的HashMap,此时encoding为ht。
3）List
常用命令：lpush/rpush/lpop/rpop/lrange等；
应用场景：Redis list的应用场景非常多，也是Redis最重要的数据结构之一，比如twitter的关注列表，粉丝列表等都可以用Redis的list结构来实现；
实现方式：Redis list的实现为一个双向链表，即可以支持反向查找和遍历，更方便操作，不过带来了部分额外的内存开销，Redis内部的很多实现，包括发送缓冲队列等也都是用的这个数据结构。
4）Set
常用命令：sadd/spop/smembers/sunion等；
应用场景：Redis set对外提供的功能与list类似是一个列表的功能，特殊之处在于set是可以自动排重的，当你需要存储一个列表数据，又不希望出现重复数据时，set是一个很好的选择，并且set提供了判断某个成员是否在一个set集合内的重要接口，这个也是list所不能提供的；
实现方式：set 的内部实现是一个 value永远为null的HashMap，实际就是通过计算hash的方式来快速排重的，这也是set能提供判断一个成员是否在集合内的原因。
5）Sorted Set
常用命令：zadd/zrange/zrem/zcard等；
应用场景：Redis sorted set的使用场景与set类似，区别是set不是自动有序的，而sorted set可以通过用户额外提供一个优先级(score)的参数来为成员排序，并且是插入有序的，即自动排序。当你需要一个有序的并且不重复的集合列表，那么可以选择sorted set数据结构，比如twitter 的public timeline可以以发表时间作为score来存储，这样获取时就是自动按时间排好序的。
实现方式：Redis sorted set的内部使用HashMap和跳跃表(SkipList)来保证数据的存储和有序，HashMap里放的是成员到score的映射，而跳跃表里存放的是所有的成员，排序依据是HashMap里存的score,使用跳跃表的结构可以获得比较高的查找效率，并且在实现上比较简单。
1.3 Redis持久化
Redis虽然是基于内存的存储系统，但是它本身是支持内存数据持久化的，而且提供两种主要的持久化策略：RDB快照和AOF日志。
RDB快照：Redis支持将当前数据的快照存成一个数据文件的持久化机制。
但是一个持续写入的数据库如何生成快照呢？Redis借助了fork命令的copy on write机制。在生成快照时，将当前进程fork出一个子进程，然后在子进程中循环所有的数据，将数据写成为RDB文件。
我们可以通过Redis的save指令来配置RDB快照生成的时机，比如你可以配置当10分钟以内有100次写入就生成快照，也可以配置当1小时内有1000次写入就生成快照，也可以多个规则一起实施。这些规则的定义就在Redis的配置文件中，你也可以通过Redis的CONFIG SET命令在Redis运行时设置规则，不需要重启Redis。
Redis的RDB文件不会坏掉，因为其写操作是在一个新进程中进行的，当生成一个新的RDB文件时，Redis生成的子进程会先将数据写到一个临时文件中，然后通过原子性rename系统调用将临时文件重命名为RDB文件，这样在任何时候出现故障，Redis的RDB文件都总是可用的。同时，Redis的RDB文件也是Redis主从同步内部实现中的一环。
但是，我们可以很明显的看到，RDB有他的不足，就是一旦数据库出现问题，那么我们的RDB文件中保存的数据并不是全新的，从上次RDB文件生成到Redis停机这段时间的数据全部丢掉了。在某些业务下，这是可以忍受的，我们也推荐这些业务使用RDB的方式进行持久化，因为开启RDB的代价并不高。但是对于另外一些对数据安全性要求极高的应用，无法容忍数据丢失的应用，RDB就无能为力了，所以Redis引入了另一个重要的持久化机制：AOF日志。
AOF日志：AOF日志的全称是append only file，从名字上我们就能看出来，它是一个追加写入的日志文件。
一般数据库的binlog不同的是，AOF文件是可识别的纯文本，它的内容就是一个个的Redis标准命令。当然，并不是发送发Redis的所有命令都要记录到AOF日志里面，只有那些会导致数据发生修改的命令才会追加到AOF文件。
那么每一条修改数据的命令都生成一条日志，那么AOF文件是不是会很大？答案是肯定的，AOF文件会越来越大，所以Redis又提供了一个功能，叫做AOF rewrite。其功能就是重新生成一份AOF文件，新的AOF文件中一条记录的操作只会有一次，而不像一份老文件那样，可能记录了对同一个值的多次操作。其生成过程和RDB类似，也是fork一个进程，直接遍历数据，写入新的AOF临时文件。在写入新文件的过程中，所有的写操作日志还是会写到原来老的AOF文件中，同时还会记录在内存缓冲区中。当重完操作完成后，会将所有缓冲区中的日志一次性写入到临时文件中。然后调用原子性的rename命令用新的AOF文件取代老的AOF文件。
AOF是一个写文件操作，其目的是将操作日志写到磁盘上，所以它也同样会遇到我们上面说的写操作的5个流程。那么写AOF的操作安全性又有多高呢。实际上这是可以设置的，在Redis中对AOF调用write(2)写入后，何时再调用fsync将其写到磁盘上，通过appendfsync选项来控制，下面appendfsync的三个设置项，安全强度逐渐变强。
1）appendfsync no
当设置appendfsync为no的时候，Redis不会主动调用fsync去将AOF日志内容同步到磁盘，所以这一切就完全依赖于操作系统的调试了。对大多数Linux操作系统，是每30秒进行一次fsync，将缓冲区中的数据写到磁盘上。
2）appendfsync everysec
当设置appendfsync为everysec的时候，Redis会默认每隔一秒进行一次fsync调用，将缓冲区中的数据写到磁盘。但是当这一次的fsync调用时长超过1秒时。Redis会采取延迟fsync的策略，再等一秒钟。也就是在两秒后再进行fsync，这一次的fsync就不管会执行多长时间都会进行。这时候由于在fsync时文件描述符会被阻塞，所以当前的写操作就会阻塞。所以结论就是，在绝大多数情况下，Redis会每隔一秒进行一次fsync。在最坏的情况下，两秒钟会进行一次fsync操作。这一操作在大多数数据库系统中被称为group commit，就是组合多次写操作的数据，一次性将日志写到磁盘。
3）appednfsync always
当设置appendfsync为always时，每一次写操作都会调用一次fsync，这时数据是最安全的，当然，由于每次都会执行fsync，所以其性能也会受到影响。
1.4Redis的内存管理机制
Redis的内存管理机制主要通过源码中的zmalloc.h和zmalloc.c两个文件来实现的。Redis为了方便内存的管理，在分配一块内存之后，会将这块内存的大小存入内存的头部。
如图所示，real_ptr是redis调用malloc后返回的指针。redis将内存的大小size存入头部，size所占据的内存大小是已知的，为size_t类型的长度，然后返回ret_ptr。当需要释放内存的时候，ret_ptr被传给内存管理程序。通过ret_ptr，程序可以很容易的计算出real_ptr的值，然后将real_ptr传给free释放内存。
Redis通过定义一个数组来记录所有的内存分配情况，这个数组的长度为ZMALLOC_MAX_ALLOC_STAT.数组的每一个元素代表当前程序所分配的内存块的个数，且内存块的个数，且内存块的大小为该元素的下标。
在源码中，这个数组为zmalloc_allocations。zmalloc_allocations[16]代表已经分配的长度为16bytes的内存块的个数。zmalloc.c中有一个静态变量used_memory用来记录当前分配的内存总大小。所以，总的来看，Redis采用的是包装的mallc/free，相较于Memcached的内存管理方法来说，要简单很多。
2. Redis的数据类型
Redis支持五种数据类型：string（字符串），hash（哈希），list（列表），set（集合）及zset(sorted set：有序集合)。
2.1 String（字符串）
string 是 redis 最基本的类型，是二进制安全的，意思是 redis 的 string 可以包含任何数据。比如jpg图片或者序列化的对象，string 类型的值最大能存储 512MB。
在以上实例中我们使用了 Redis 的 SET 和 GET 命令。键为 name，对应的值为 runoob。
2.2 Hash（哈希）
Redis hash 是一个键值(key=>value)对集合， 是一个 string 类型的 field 和 value 的映射表，hash 特别适合用于存储对象。
DEL runoob 用于删除前面测试用过的 key，不然会报错：(error) WRONGTYPE Operation against a key holding the wrong kind of value。实例中我们使用了 Redis HMSET, HGET 命令，HMSET 设置了两个 field=>value 对, HGET 获取对应 field 对应的 value。
每个 hash 可以存储 232 -1 键值对（40多亿）。
2.3 List（列表）
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）。
列表最多可存储 232 - 1 元素 (4294967295, 每个列表可存储40多亿)。
2.4 Set（集合）
Redis的Set是string类型的无序集合。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)。
注意：以上实例中 rabitmq 添加了两次，但根据集合内元素的唯一性，第二次插入的元素将被忽略。集合中最大的成员数为 232 - 1(4294967295, 每个集合可存储40多亿个成员)。
2.5 zset(sorted set：有序集合)
Redis zset 和 set 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。
zset的成员是唯一的,但分数(score)却可以重复。
zadd 命令
添加元素到集合，元素在集合中存在则更新对应score
3. Redis基本安装过程及简单使用
本次安装是在vmware虚拟机下，使用的是centos6.9x64版本的Linux系统。
3.1.在官网http://www.redis.cn/download.html下载Redis压缩包（见附件）
3.2.把redis软件上传到虚拟机中/rdtar/中：
3.3.对压缩包进行解压并make编译：
3.4打开redis文件夹中的src目录，找到redis.server和redis.cli文件：
其中前者是服务端文件，后者是客户端文件。
3.5创建redis运行目录并将redis-server和redis-cli复制到运行目录中：
3.6将redis文件夹下的redis.conf配置文件也拷贝到redis运行目录下：
3.7前端运行redis-server:
3.8后台运行redis-server时讲配置文件redis.conf中daemonize设置为yes：
3.9 redis-server的后台启动：
3.10 redis-cli启动并且简单使用：
4. Redis简单集群
Redis Cluster是一个实现了分布式且允许单点故障的Redis高级版本，它没有中心节点，各个节点地位一致，具有线性可伸缩的功能。Redis Cluster的分布式存储结构，其中节点与节点之间通过二进制协议进行通讯，节点与客户端之间通过ascii协议进行通信，在数据的放置策略上，Redis Cluster将整个key的数值域分成16384个哈希槽。每个节点上可以存储一个或多个哈希槽，也就是说当前Redis Cluster支持的最大节点就是16384
4.1Redis简单集群下所需的计算机资源要求
Redis集群至少需要3个节点，要保证集群的高可用，需要每个节点都有从节点，也就是备份节点，所以Redis集群至少需要6台服务器。因为没有那么多服务器，也启动不了那么多虚拟机，所在这里搭建的是伪分布式集群，即一台服务器虚拟运行6个redis实例，修改端口号为（9001-9006），当然实际生产环境的Redis集群搭建和这里是一样的。
redis3.0版本之前只支持单例模式，在3.0版本及以后才支持集群。redis集群采用P2P模式，是完全去中心化的，不存在中心节点或者代理节点；redis集群也没有统一的入口的，客户端（client）连接集群的时候连接集群中的任意节点（node）即可，集群内部的节点是相互通信的（PING-PONG机制），每个节点都是一个redis实例；每个Redis集群理论上最多可以有16384个节点。
4.2Redis简单集群搭建过程
创建文件夹
我们计划集群中 Redis 节点的端口号为9001-9006 ，端口号即集群下各redis实例文件夹。数据存放在端口号/data文件夹中。
复制执行脚本
把安装好的单机版redis bin目录下的执行脚本复制到redis集群文件夹下
复制配置文件
把解压目录下的redis配置文件redis.conf复制一份到各端口实例文件夹中
修改各端口实例中的配置文件选项
启动 9001-9006 六个实例节点
查看启动服务
根据节点创建集群
Redis 5.0开始不再使用ruby搭建集群，而是直接使用客户端命令 redis-cli 来创建。客户端命令：
./redis-cli --cluster create 127.0.0.1:9001 127.0.0.1:9002 127.0.0.1:9003 127.0.0.1:9004 127.0.0.1:9005 127.0.0.1:9006 --cluster-replicas 1
连接测试