1.3.6　Redis

Redis是NoSQL类型的内存数据库，最初是由意大利的Salvatore Sanfilippo在2006年用C语言编写，之后得到了VMware和Pivotal的资助。Redis是REmote DIctionary Server的缩写，正如其名字所示，Redis的主要用途是内存中的快速信息检索。Redis是最流行的键值数据库之一，在Stack Overflow网站的调查中，Redis在2017到2020年连续4年位居开发者最喜爱的数据库榜首。典型的Redis应用场景包括高性能数据缓存、游戏排行榜、消息发布和订阅、流式数据处理、实时数据分析、物联网高速数据摄入等。Redis提供免费的开源版本，也提供功能增强的商用版Redis Enterprise。Redis支持在本地部署，也可以在Azure、Google和AWS上以云服务形式提供。

和前面介绍的商用数据库不同，除了内存中运行的高性能外，Redis还支持丰富的数据类型和算法，如Strings、Hashes、Lists、Sets、Sorted Sets、Bitmaps和HyperLogLogs。这是Redis非常重要的特性，只有理解和选择适合的数据类型，才能设计出更好的应用。例如Strings类型除了可以表示整型、浮点型、字符串和位图外，还可以存放XML、JSON、HTML等文本。Lists可用来表示队列、堆栈和集合。HyperLogLogs作为一种常用的算法，可以估算出集合中唯一元素的数量，计算速度快，消耗内存少。这些算法和数据结构可以与互联网应用紧密结合，因此Redis也被称为数据结构服务器。在灵活的数据类型基础上，Redis也着力于将自身打造为多模数据库，以减少跨模式数据开发、集成和运维的成本。Redis通过动态添加模块的方式来支持这些新的模式，包括RediSearch对全文搜索的支持、RedisJSON存储和查询JSON文档、RedisGraph对Graph数据结构的支持、RedisTimeSeries对时序数据的支持，以及RedisAI对人工智能的支持。

Redis是单线程的，这点非常重要，在任何时候Redis只会执行一个命令，因此Redis在执行事务的中途是不可能同时执行其他事务的，这也保证了Redis事务的原子性和隔离性，不会出现并发访问冲突和数据一致性问题。

作为开源软件，Redis支持的开发语言比商业软件丰富，除了常用的C、C++、C#、Java，还支持Node.js、Ruby、Perl、R、Perl等近50种开发语言。从Redis 2.6版本开始，在服务器端也支持执行Lua脚本。

内存是临时的易失性存储，为防止数据丢失，Redis提供了两种持久化的方法：RDB（Redis DataBase）和AOF（Append-Only File），两种方法可独立或结合使用。RDB类似于SAP HANA的Savepoint或TimesTen的检查点文件，定期生成Redis实例的时间点快照，单个RDB文件即可用来恢复数据库。AOF采用类似于日志的机制，所有的操作都以追加的方式记录在日志文件中，在Redis重新加载时，通过重演这些日志即可实现数据库恢复。

RDB非常适合于备份，例如每小时、每天、每月一次的备份，然后可以按时间点恢复，RDB也支持压缩，可以方便地传输到远端或公有云上实现灾备。在数据量较大时，RDB的恢复速度比AOF更快。由于快照比较消耗资源，因此生成快照的频率不能过高，这也使得RDB不太适合于RPO（恢复点目标）较小的情形。AOF采用追加的方式记录日志，记日志的频度可以低至秒级，因此效率非常高，对系统影响小，并大大降低了数据丢失的可能性。AOF以原始格式记录了所有的操作，更易于理解和解析，不过对于同样的操作集，AOF文件通常比RDB要大。为保证Redis的最高可用性和最少数据丢失，最佳建议是结合使用RDB和AOF两种方式，以同时保证粗粒度和细粒度的数据恢复。

复制被广泛用于提高读扩展性，这样所有的副本可以处理读，而主数据库只需处理写。复制还可以通过数据冗余实现数据保护。如图1-8所示，Redis支持主从复制和双活复制。主从复制支持一个主数据库复制到多个从数据库，也支持从数据库的级联复制。Redis双活复制使用CRDT（无冲突复制数据类型）技术实现了地理分布的双活应用，使得两个站点都可以实现本地读写，并保持数据的最终一致性。

Redis最初被设计运行在单机上，但单机的内存和能力有限，可能无法容纳所有数据和应对更高的并发访问，此时可以通过分片来实现数据容量和处理能力的扩展。最初的分片方案是通过客户端或第三方的分片中间件来实现的，例如Twitter在2012年发布的工具twemproxy，也称为nutcracker，可以实现哈希等分片算法，并可以在增加节点时自动实现数据重新分片。2015年，Redis在3.0版本推出了服务器端的分片方案：Redis Cluster。Redis Cluster可以将数据自动分布到多个节点，同时通过为主节点配置1到多个从节点，可以提供一定程度的可用性保护。如图1-8中间部分，当服务器3故障时，服务器1上的从数据库S3升级为主数据库M3，保证了整个集群的数据完整和业务连续。Redis Cluster内部提供主从数据复制保护，但本质上还是一个用于线性扩展的数据分片方案。

Redis官方的高可用方案为Redis Sentinel，可实现Redis节点的故障自动切换。Redis Sentinel是一个分布式系统，目标是提供可靠的主从自动切换，在主节点失效时，可以自动将从节点升级为主节点，在Sentinel出现之前，这些都需要手工处理。但Sentinel不能分布数据，主节点必须具有所有数据，而其他都是副本。Sentinel是一个独立的进程，在指定的端口监听。Sentinel进程间相互保持通信，同时Sentinel可以监控所有的Redis实例。Sentinal相当于连接代理，监控后端Redis实例的健康状态，因此客户端需要首先连接到Sentinel进程，然后根据配置转发到相应Redis实例。

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(1)　http://www.intel.com/pressroom/archive/speeches/ag021500.htm.

(2)　http://www.oracle.com/us/corporate/analystreports/forrester-imdb-wave-2017-3616348.pdf

(3)　https://www.forrester.com/report/The+Forrester+Wave+InMemory+Data+Grids+Q3+2015/-/E-RES120420