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SONiC (4) - redis的介绍以及应用

news 2025/8/18 9:35:19

接下来在正式进入SONiC的开发和学习中，大家首先要掌握的是redis 的使用，因为SONiC中的数据交互都是通过redis进行的，那我们必须学会怎样在redis中进行读写，并知道它的基本的工作原理。

REmote DIctionary Server(Redis) 是一个由 Salvatore Sanfilippo 写的 key-value 存储系统，是跨平台的非关系型数据库。

Redis 是一个开源的使用 ANSI C 语言编写、遵守 BSD 协议、支持网络、可基于内存、分布式、可选持久性的键值对(Key-Value)存储数据库，并提供多种语言的 API。

Redis 通常被称为数据结构服务器，因为值（value）可以是字符串(String)、哈希(Hash)、列表(list)、集合(sets)和有序集合(sorted sets)等类型。

1. 阅读本文章前，需要了解的知识

需要了解基本的数据结构，例如以下几种：

String: 字符串
Hash: 散列
List: 列表
Set: 集合
Sorted Set: 有序集合

2. Redis 简介

Redis（Remote Dictionary Server）是一个开源的内存数据库，遵守 BSD 协议，它提供了一个高性能的键值（key-value）存储系统，常用于缓存、消息队列、会话存储等应用场景。

性能极高：Redis 以其极高的性能而著称，能够支持每秒数十万次的读写操作24。这使得Redis成为处理高并发请求的理想选择，尤其是在需要快速响应的场景中，如缓存、会话管理、排行榜等。
丰富的数据类型：Redis 不仅支持基本的键值存储，还提供了丰富的数据类型，包括字符串、列表、集合、哈希表、有序集合等。这些数据类型为开发者提供了灵活的数据操作能力，使得Redis可以适应各种不同的应用场景。
原子性操作：Redis 的所有操作都是原子性的，这意味着操作要么完全执行，要么完全不执行。这种特性对于确保数据的一致性和完整性至关重要，尤其是在高并发环境下处理事务时。
持久化：Redis 支持数据的持久化，可以将内存中的数据保存到磁盘中，以便在系统重启后恢复数据。这为 Redis 提供了数据安全性，确保数据不会因为系统故障而丢失。
支持发布/订阅模式：Redis 内置了发布/订阅模式（Pub/Sub），允许客户端之间通过消息传递进行通信。这使得 Redis 可以作为消息队列和实时数据传输的平台。
单线程模型：尽管 Redis 是单线程的，但它通过高效的事件驱动模型来处理并发请求，确保了高性能和低延迟。单线程模型也简化了并发控制的复杂性。
主从复制：Redis 支持主从复制，可以通过从节点来备份数据或分担读请求，提高数据的可用性和系统的伸缩性。
应用场景广泛：Redis 被广泛应用于各种场景，包括但不限于缓存系统、会话存储、排行榜、实时分析、地理空间数据索引等。
社区支持：Redis 拥有一个活跃的开发者社区，提供了大量的文档、教程和第三方库，这为开发者提供了强大的支持和丰富的资源。
跨平台兼容性：Redis 可以在多种操作系统上运行，包括 Linux、macOS 和 Windows，这使得它能够在不同的技术栈中灵活部署。

Redis 与其他 key-value 存储有什么不同？

Redis 与其他 key-value 存储系统的主要区别在于其提供了丰富的数据类型、高性能的读写能力、原子性操作、持久化机制、以及丰富的特性集。

以下是 Redis 的一些独特之处：

丰富的数据类型：Redis 不仅仅支持简单的 key-value 类型的数据，还提供了 list、set、zset（有序集合）、hash 等数据结构的存储。这些数据类型可以更好地满足特定的业务需求，使得 Redis 可以用于更广泛的应用场景。
高性能的读写能力：Redis 能读的速度是 110000次/s，写的速度是 81000次/s。这种高性能主要得益于 Redis 将数据存储在内存中，从而显著提高了数据的访问速度。
原子性操作：Redis 的所有操作都是原子性的，这意味着操作要么完全执行，要么完全不执行。这种特性对于确保数据的一致性和完整性非常重要。
持久化机制：Redis 支持数据的持久化，可以将内存中的数据保存在磁盘中，以便在系统重启后能够再次加载使用。这为 Redis 提供了数据安全性，确保数据不会因为系统故障而丢失。
丰富的特性集：Redis 还支持 publish/subscribe（发布/订阅）模式、通知、key 过期等高级特性。这些特性使得 Redis 可以用于消息队列、实时数据分析等复杂的应用场景。
主从复制和高可用性：Redis 支持 master-slave 模式的数据备份，提供了数据的备份和主从复制功能，增强了数据的可用性和容错性。
支持 Lua 脚本：Redis 支持使用 Lua 脚本来编写复杂的操作，这些脚本可以在服务器端执行，提供了更多的灵活性和强大的功能。
单线程模型：尽管 Redis 是单线程的，但它通过高效的事件驱动模型来处理并发请求，确保了高性能和低延迟。

redis 的安装和配置不是我们关心的内容，因为我们的redis已经在SONiC中安装和配置好，想了解的同学自行在网上查阅即可

3. Redis 数据类型

Redis 主要支持以下几种数据类型：

string（字符串）: 基本的数据存储单元，可以存储字符串、整数或者浮点数。
hash（哈希）:一个键值对集合，可以存储多个字段。
list（列表）:一个简单的列表，可以存储一系列的字符串元素。
set（集合）:一个无序集合，可以存储不重复的字符串元素。
zset(sorted set：有序集合): 类似于集合，但是每个元素都有一个分数（score）与之关联。
位图（Bitmaps）：基于字符串类型，可以对每个位进行操作。
超日志（HyperLogLogs）：用于基数统计，可以估算集合中的唯一元素数量。
地理空间（Geospatial）：用于存储地理位置信息。
发布/订阅（Pub/Sub）：一种消息通信模式，允许客户端订阅消息通道，并接收发布到该通道的消息。
流（Streams）：用于消息队列和日志存储，支持消息的持久化和时间排序。
模块（Modules）：Redis 支持动态加载模块，可以扩展 Redis 的功能。

3.1 String（字符串）

string 是 redis 最基本的类型，你可以理解成与 Memcached 一模一样的类型，一个 key 对应一个 value。

string 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 类型是 Redis 最基本的数据类型，string 类型的值最大能存储 512MB。

常用命令

SET key value：设置键的值。
GET key：获取键的值。
INCR key：将键的值加 1。
DECR key：将键的值减 1。

APPEND key value：将值追加到键的值之后。

127.0.0.1:6379> SET runoob "haohaoxuexi"
OK
127.0.0.1:6379> get runoob
"haohaoxuexi"
127.0.0.1:6379> SET runoob "haohaoxuexi"
OK
127.0.0.1:6379> GET RUNOOB
(nil)
127.0.0.1:6379> GET runoob
"haohaoxuexi"
127.0.0.1:6379> ]

3.2 Hash（哈希）

Redis hash 是一个键值(key==>value)对集合，类似于一个小型的 NoSQL 数据库。

Redis hash 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。

每个哈希最多可以存储 2^32 - 1 个键值对。

常用命令

HSET key field value：设置哈希表中字段的值。
HGET key field：获取哈希表中字段的值。
HGETALL key：获取哈希表中所有字段和值。
HDEL key field：删除哈希表中的一个或多个字段。

127.0.0.1:6379> HSET runoob
(error) ERR wrong number of arguments for 'hset' command
127.0.0.1:6379> HSET runoob field "Hello" field "World"
(error) WRONGTYPE Operation against a key holding the wrong kind of value
127.0.0.1:6379>

这里大家可以看到报错了，那是因为我们前面已经设置了runoob 字段，那我们需要删除它

127.0.0.1:6379> DEL runoob
(integer) 1
127.0.0.1:6379> HSET runoob field "Hello" field "World"
(integer) 1
127.0.0.1:6379> GET runoob field
(error) ERR wrong number of arguments for 'get' command
127.0.0.1:6379> HGET runoob field
"World"
127.0.0.1:6379> HSET runoob field1 "Hello" field2 "World"
(integer) 2
127.0.0.1:6379> HGET runoob field1
"Hello"
127.0.0.1:6379> HGET runoob field2
"World"
127.0.0.1:6379>

3.3 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）。

列表最多可以存储 2^32 - 1 个元素。

常用命令

LPUSH key value：将值插入到列表头部。
RPUSH key value：将值插入到列表尾部。
LPOP key：移出并获取列表的第一个元素。
RPOP key：移出并获取列表的最后一个元素。
LRANGE key start stop：获取列表在指定范围内的元素。

127.0.0.1:6379> DEl runoob
(integer) 1
127.0.0.1:6379> lpush runoob redis
(integer) 1
127.0.0.1:6379> lpush runoob redis2
(integer) 2
127.0.0.1:6379> lpush runoob redis3
(integer) 3
127.0.0.1:6379> lrange runoob 0 8
1) "redis3"
2) "redis2"
3) "redis"
127.0.0.1:6379>

3.4 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)。

常用命令

SADD key value：向集合添加一个或多个成员。
SREM key value：移除集合中的一个或多个成员。
SMEMBERS key：返回集合中的所有成员。
SISMEMBER key value：判断值是否是集合的成员。

sadd 命令

添加一个 string 元素到 key 对应的 set 集合中，成功返回 1，如果元素已经在集合中返回 0。

127.0.0.1:6379> DEL runoob
(integer) 1
127.0.0.1:6379> sadd runoob redis1
(integer) 1
127.0.0.1:6379> sadd runoob redis2
(integer) 1
127.0.0.1:6379> sadd runoob redis3
(integer) 1
127.0.0.1:6379> smembers runoob
1) "redis3"
2) "redis2"
3) "redis1"
127.0.0.1:6379>

3.5 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。

常用命令

ZADD key score value：向有序集合添加一个或多个成员，或更新已存在成员的分数。
ZRANGE key start stop [WITHSCORES]：返回指定范围内的成员。
ZREM key value：移除有序集合中的一个或多个成员。
ZSCORE key value：返回有序集合中，成员的分数值。

zadd 命令

添加元素到集合，元素在集合中存在则更新对应score

zadd key score member

127.0.0.1:6379> DEL runoob
(integer) 1
127.0.0.1:6379> zadd runoob 0 redis1
(integer) 1
127.0.0.1:6379> zadd runoob 0 redis2
(integer) 1
127.0.0.1:6379> zadd runoob 0 redis3
(integer) 1
127.0.0.1:6379> zrange runoob0 8
(error) ERR wrong number of arguments for 'zrange' command
127.0.0.1:6379> zrange runoob 0 8
1) "redis1"
2) "redis2"
3) "redis3"
127.0.0.1:6379>

其他高级数据类似

HyperLogLog

用于基数估计算法的数据结构。
常用于统计唯一值的近似值。

Bitmaps

位数组，可以对字符串进行位操作。
常用于实现布隆过滤器等位操作。

Geospatial Indexes

处理地理空间数据，支持地理空间索引和半径查询。
Streams
- - 日志数据类型，支持时间序列数据。
  - 用于消息队列和实时数据处理

4. Redis 发布订阅

Redis 发布订阅 (pub/sub) 是一种消息通信模式：发送者 (pub) 发送消息，订阅者 (sub) 接收消息。

Redis 客户端可以订阅任意数量的频道。

下图展示了频道 channel1 ，以及订阅这个频道的三个客户端 —— client2 、 client5 和 client1 之间的关系：

当有新消息通过 PUBLISH 命令发送给频道 channel1 时，这个消息就会被发送给订阅它的三个客户端：

实例

以下实例演示了发布订阅是如何工作的，需要开启两个 redis-cli 客户端。

在我们实例中我们创建了订阅频道名为 runoobChat:

第一个 redis-cli 客户端

127.0.0.1:6379> SUBSCRIBE runoobchat
Reading messages... (press Ctrl-C to quit)
1) "subscribe"
2) "runoobchat"
3) (integer) 1
1) "message"
2) "runoobchat"
3) "hello world"

第二个 redis-cli 客户端

127.0.0.1:6379> PUBLISH runoobchat "hello world"
(integer) 1
127.0.0.1:6379>

Redis 发布订阅命令

下表列出了 redis 发布订阅常用命令：

序号	命令及描述
1	PSUBSCRIBE pattern [pattern ...] 订阅一个或多个符合给定模式的频道。
2	PUBSUB subcommand [argument [argument ...]] 查看订阅与发布系统状态。
3	PUBLISH channel message 将信息发送到指定的频道。
4	PUNSUBSCRIBE [pattern [pattern ...]] 退订所有给定模式的频道。
5	SUBSCRIBE channel [channel ...] 订阅给定的一个或多个频道的信息。
6	UNSUBSCRIBE [channel [channel ...]] 指退订给定的频道。