馬豫星

摘 要：Redis是一款開源的、網(wǎng)絡(luò)化的、基于內(nèi)存的、可進(jìn)行數(shù)據(jù)持久化的Key-Value存儲系統(tǒng)。詳細(xì)介紹了redis數(shù)據(jù)庫底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫的持久化方式、數(shù)據(jù)庫事務(wù)特性以及隱藏在設(shè)計之中的一些考量。闡明了Redis高效性的原因在于其精簡高效的底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計以及對具有高消耗的功能進(jìn)行分散處理。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)庫；Redis；NoSQL；分散處理

中圖分類號：TP316 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）03-00-02

0 引 言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展以及Web 2.0的興起，超大規(guī)模以及高并發(fā)的純動態(tài)型網(wǎng)站日漸成為主流，由于SNS類網(wǎng)站在數(shù)據(jù)存取過程中有著實(shí)時性等剛性需求的原因，致使關(guān)系型數(shù)據(jù)庫越來越不足以勝任，這使得目前NoSQL數(shù)據(jù)庫慢慢成了人們所關(guān)注的焦點(diǎn)，并大有成為取代關(guān)系型數(shù)據(jù)庫而成為未來主流數(shù)據(jù)存儲模式的趨勢。當(dāng)前NoSQL數(shù)據(jù)庫很多，大部分都是開源的，其中比較知名的有：MemcacheDB、Redis、Tokyo Cabinet、Flare、MongoDB、CouchDB、Cassandra、Voldemort等。本文主要介紹Redis，這是一款足以滿足海量讀寫需求基于Key-Value數(shù)據(jù)存儲方式的高性能NoSQL數(shù)據(jù)庫。

1 Redis簡介

Redis是一款開源的、網(wǎng)絡(luò)化的、基于內(nèi)存的、可進(jìn)行數(shù)據(jù)持久化的Key-Value存儲系統(tǒng)。它的數(shù)據(jù)模型建立在外層，類似于其它結(jié)構(gòu)化存儲系統(tǒng)，是通過Key映射Value的方式來建立字典以保存數(shù)據(jù)，有別于其它結(jié)構(gòu)化存儲系統(tǒng)的是，它支持多類型存儲，包括String、List、Set、Sort set和Hash等，你可以在這些數(shù)據(jù)類型上做很多原子性操作。

在操作方面，Redis基于TCP協(xié)議的特性使得它可以通過管道的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)操作，Redis本身提供了一個可連接Server的客戶端，通過客戶端，可方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)存取操作。

2 Redis底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的兩種：字符串和字典

在Redis的內(nèi)部， 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型值由高效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法進(jìn)行支持， 并且在Redis 自身的構(gòu)建當(dāng)中，也大量用到了這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

2.1 字符串

SDS（Simple Dynamic String，簡單動態(tài)字符串）是Redis底層所使用的字符串表示，幾乎所有的Redis模塊中都用了SDS。用SDS取代C默認(rèn)的char*類型。

因為char*類型的功能單一，抽象層次低，并且不能高效地支持一些Redis常用的操作，所以在Redis程序內(nèi)部，絕大部分情況下都會使用SDS而不是char*來表示字符串。

在C語言中，字符串可以用一個＼0結(jié)尾的char數(shù)組來表示。但是，它并不能高效地支持長度計算和追加這兩種操作：

（1）計算字符串長度的復(fù)雜度為θ（N）。

（2）對字符串進(jìn)行N次追加，必定需要對字符串進(jìn)行N次內(nèi)存重分配。

在Redis內(nèi)部，字符串的追加和長度計算很常見，這兩個簡單的操作不應(yīng)該成為性能的瓶頸。

另外，Redis除了處理C字符串之外，還需要處理單純的字節(jié)數(shù)組，以及服務(wù)器協(xié)議等內(nèi)容，所以為了方便起見，Redis的字符串表示還應(yīng)該是二進(jìn)制安全的：程序不應(yīng)對字符串里面保存的數(shù)據(jù)做任何假設(shè)，數(shù)據(jù)可以是以＼0結(jié)尾的C字符串，也可以是單純的字節(jié)數(shù)組，或者其他格式的數(shù)據(jù)。

考慮到這兩個原因，Redis使用SDS類型替換了C語言的默認(rèn)字符串表示：SDS既可高效地實(shí)現(xiàn)追加和長度計算，同時是二進(jìn)制安全的。

值得一提的是，在Redis最初的設(shè)計中就加入了統(tǒng)計信息：

在設(shè)計SDS的時候，在內(nèi)部使用了zmalloc與zfree來動態(tài)使用內(nèi)存，并記錄占有內(nèi)存大小，方便計算Redis的性能。

2.2 字典

實(shí)現(xiàn)字典的方法有很多種：為了兼顧高效和簡單性，Redis使用了哈希表。在實(shí)現(xiàn)哈希表時，有一個問題就是采用何種策略來解決碰撞問題。對于使用鏈地址法來解決碰撞問題的哈希表來說，哈希表的性能取決于哈希表大小與保存節(jié)點(diǎn)數(shù)量之間的比率：

（1）哈希表的大小與節(jié)點(diǎn)數(shù)量，比率在1：1時，哈希表的性能最好；

（2）如果節(jié)點(diǎn)數(shù)量比哈希表的大小要大很多的話，那么哈希表就會退化成多個鏈表，哈希表本身的性能優(yōu)勢便不復(fù)存在；

Redis保證當(dāng)上述比率達(dá)到一定值時，會執(zhí)行rehash操作，即對哈希表進(jìn)行擴(kuò)容或縮減。當(dāng)擴(kuò)容時，是以空間換取時間，當(dāng)縮減時是以時間換空間。由此可以看出Redis對時間和空間的高效利用率。當(dāng)然，rehash操作一般是漸進(jìn)方式執(zhí)行的。因為其中涉及到對整個哈希表的遷移，如果數(shù)據(jù)量很大，那么勢必會影響系統(tǒng)的性能。

Redis使用了兩種漸進(jìn)式的rehash方式：

（1）每次執(zhí)行一次添加、查找、刪除操作，rehash都會被執(zhí)行一次；

（2）當(dāng)Redis的服務(wù)器常規(guī)任務(wù)執(zhí)行時，rehash會被執(zhí)行。在規(guī)定的時間內(nèi)，盡可能地對數(shù)據(jù)庫字典中那些需要rehash的字典進(jìn)行rehash，從而加速數(shù)據(jù)庫字典的rehash進(jìn)程。

3 Redis的持久化方式：RDB與AOF

在運(yùn)行情況下，Redis以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的形式將數(shù)據(jù)維持在內(nèi)存中，為了讓這些數(shù)據(jù)在Redis重啟之后仍然可用，Redis分別提供了RDB和AOF兩種持久化模式。

RDB將數(shù)據(jù)庫的快照以二進(jìn)制的方式保存到磁盤中。在Redis運(yùn)行時，RDB程序?qū)?dāng)前內(nèi)存中的數(shù)據(jù)庫快照保存到磁盤文件中，在Redis重啟動時，RDB程序可以通過載入RDB文件來還原數(shù)據(jù)庫的狀態(tài)。

AOF則以協(xié)議文本的方式，將所有對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行過寫入的命令（及其參數(shù)）記錄到AOF文件，以此達(dá)到記錄數(shù)據(jù)庫狀態(tài)的目的。AOF更像是歷史記錄，記錄所有運(yùn)行過的命令。但是AOF文件就會隨著時間持續(xù)增長，進(jìn)而占據(jù)整個磁盤。為此，Redis設(shè)計了AOF重寫機(jī)制，通過開啟新線程，掃描數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)化為Redis命令，存入臨時的AOF文件。當(dāng)掃描完后，用臨時文件代替AOF文件。這樣一來，AOF文件中記錄的命令就是最簡潔的，因而不會占據(jù)很多空間。

4 Redis事務(wù)

4.1 一致性

Redis的一致性問題可以分為兩部分來討論：入隊錯誤、執(zhí)行錯誤。

在命令入隊的過程中，如果客戶端向服務(wù)器發(fā)送了錯誤的命令，Redis會拒絕執(zhí)行事務(wù)，并返回失敗信息。如果命令在事務(wù)執(zhí)行的過程中發(fā)生錯誤，那么Redis只會將錯誤包含在事務(wù)的結(jié)果中，這不會引起事務(wù)中斷或整個失敗，不會影響已執(zhí)行事務(wù)命令的結(jié)果，也不會影響后面要執(zhí)行的事務(wù)命令，所以它對事務(wù)的一致性也沒有影響。

4.2 隔離性

Redis是單進(jìn)程程序，并且它保證在執(zhí)行事務(wù)時，不會對事務(wù)進(jìn)行中斷，事務(wù)可以運(yùn)行直到執(zhí)行完所有事務(wù)隊列中的命令為止。因此，Redis的事務(wù)是總是帶有隔離性的。

4.3 原子性

在上述一致性的介紹中，可以看出在事務(wù)隊列中，即使有命令執(zhí)行錯誤，該事務(wù)也會執(zhí)行完，符合原子性的要求。

4.4 持久性

因為事務(wù)不過是用隊列包裹起了一組Redis命令，并沒有提供任何額外的持久性功能，所以事務(wù)的持久性由Redis所使用的持久化模式?jīng)Q定：

在單純的內(nèi)存模式下，事務(wù)肯定是不持久的；

在RDB模式下，服務(wù)器可能在事務(wù)執(zhí)行之后、RDB文件更新之前的這段時間失敗，所以RDB模式下的Redis事務(wù)也是不持久的；

在AOF的“總是SYNC”模式下，事務(wù)的每條命令在執(zhí)行成功之后，都會立即調(diào)用 fsync 或 fdatasync 將事務(wù)數(shù)據(jù)寫入到AOF文件。但是，這種保存是由后臺線程進(jìn)行的，主線程不會阻塞直到保存成功，所以從命令執(zhí)行成功到數(shù)據(jù)保存到硬盤之間，還是有一段非常小的間隔，所以這種模式下的事務(wù)也是不持久的；

其他AOF模式也和“總是 SYNC”模式類似，所以它們都是不持久的；

綜上所述，Redis事務(wù)滿足原子性、一致性、隔離性，不滿足持久性。

5 結(jié) 語

本文詳細(xì)介紹了Redis數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、事務(wù)、持久化等特性，為讀者深入理解Redis提供了幫助。

參考文獻(xiàn)

[1] 李子驊.Redis入門指南[M].北京：人民郵電出版社，2013.

[2] 黃健宏.Redis設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[3] 皮雄軍.NoSQL數(shù)據(jù)庫技術(shù)實(shí)戰(zhàn)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2015.

[4] Shashank Tiwari.深入NoSQL[M].北京：人民郵電出版社， 2012.

[5] 徐小威.非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)恢復(fù)技術(shù)研究[D].杭州，杭州電子科技大學(xué)，2014.