学习之Redis（一）

一、redis简介

　　一般学习，最好先去官网，之所以建议看官网，是因为这是一手的学习资料，其他资料都最多只能算二手，一手资料意味着最权威，准确性最高。https://redis.io/topics/introduction。如果像我一样，英语不好的童鞋，不要紧，咋们用Chrome浏览器，翻译成中文。Eumm。。。来看看官网给的解释：“redis is an open source (BSD licensed), in-memory data structure store, used as a database, cache and message broker.” ，第一句就告诉我们，redis是什么：redis是一个开源的，基于内存的数据结构存储，可用作于数据库、缓存、消息中间件。

1.1、为什么使用redis？

　　由官网可知：redis是基于内存，常用于缓存的一种技术，并redis存储方式是以 Key-value 的形式。等等？Key-value??这个不就是Java中Map容器的特性吗？那为什么还用redis呢？

• Java实现的Map是本地缓存，只能存在创建他的程序中。最主要的特点是轻量以及快速。而且实例多的情况下，每个实例都需要各自保存一份缓存，缓存不具有一致性。
• redis实现的是分布式缓存，如果有多个实例机器，每个实例共享一份缓存，缓存具有一致性。
• Java中Map不是专业做缓存的，JVM内存太大容易挂掉，所以一般用来做容器存储临时数据，缓存随着JVM销毁而结束。
• redis是专门做缓存的，缓存可以持久化，可以将缓存的数据保存在硬盘中，redis重启之后就可以恢复。但是Map是内存对象，程序重启数据就没有了。
• redis可以处理每秒百万级的并发，Map只是一个普通的对象。

1.2、为什么要用缓存

　　如果我们的网站出现了性能问题（访问时间慢），一般是由于数据库扛不住了。因为一般的数据库的读写都是经过磁盘的，磁盘的读写相当于内存来说非常慢了。参考资料：让CPU告诉你硬盘和网络到底有多慢：https://cizixs.com/2017/01/03/how-slow-is-disk-and-network/。用过Mybatis和Hibernate的同学都知道，他们有一级缓存、二级缓存这样的功能（实质就是本地缓存），目的就是为了不用每次读取数据的时候，都去数据库查询。

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二、redis的对象和数据结构

　　注：本篇博文不讲述redis命令的使用方式，具体的使用请查看API.(redis命令参考：http://doc.redisfans.com/)

【对象】

　　redis使用对象来表示数据库中的键和值，每次在redis中新建一个键值对的时候，至少会创建出两个对象。一个对象用作键值对的键(键对象)，一个对象用作键值对的(值对象)。redis中的每种对象都由对象结构(redisObject) 与对应编码的 数据结构 组合而成，redis支持5种对象类型，分别是字符串(string)、列表(list)、哈希(hash)、集合(set)、有序集合(zset)，而每种对象类型至少对应两种编码方式，不同的编码方式所对应的底层数据结构是不同的。

　　每个对象会用到的编码以及对应的数据结构详见下表：

　　 每种对象对应两至三种编码，除skiplist编码需要用到两种数据结构(字典+跳跃表)外，其余编码均用到一种底层的数据结构。同一个对象类型，在不同的场景下用到的编码(数据结构)不同，redis支持8种编码以及8种底层的数据结构。这种方式更加灵活，可以帮助redis获得更高的性能以及尽量占用更少的内存。比如如果字符串对象中要存储的字符串内容所占字节较小，会用embstr编码的格式，如果要存储的内容所占字节较大，会用raw编码的格式，具体细节后文会详细说明。

　　上面说过，redis中的键和值都是由对象组成的，而对象是由对象结构和数据结构共同组成的。redis中的键，都是用字符串来存储的，即对于redis数据库中的键值对来说，键总是一个字符串对象，而值可以是字符串对象、列表对象、哈希对象、集合对象或者有序集合对象中的其中一种。
  键、值的整体大致结构可以如下图所示

【对象结构】

　　对象结构(redisObject)共有5个属性，分别是type属性、encoding属性、ptr属性、refcount属性、lru属性。
  　　其中type属性、encoding属性、ptr属性和保存数据有关
    　　type属性：表示该对象的类型是什么
    　　encoding属性：表示这个对象使用的底层数据结构是什么
    　　ptr属性：是一个指向底层数据结构的指针
  　　　　refcount属性是一个引用计数属性，可以用于内存回收和对象共享
  　　　　lru属性，记录了对象最后一次被命令程序访问的时间，可以计算出某个键的空转时长

　　对象结构的逻辑图如下所示：

【内存回收--refcount属性】

  在对象结构中，有refcount这个属性，该属性用于记录对象的引用计数信息，redis利用引用计数(reference counting)技术实现内存回收机制，通过这一机制，程序可以通过跟踪对象的引用计数信息，在适当的时候自动释放对象并进行内存回收。

　　具体策略：
  　　在创建一个新对象时，引用计数的值会被初始化为1
  　　当对象被一个新程序使用时，它的引用计数值会被增一
  　　当对象不再被一个程序使用时，它的引用计数值会被减一
  　　当对象的引用计数值变为0时，对象所占用的内存会被释放

【对象共享--refcount属性】

  redis会在初始化服务器时，服务器会创建一万个字符串对象，这些对象包含了从0到9999的所有整数值，当服务器、新创建的键需要用到值为0到9999的字符串对象时，服务器就会使用这些共享对象，而不是新创建对象。
  对象结构中，refcount是引用指针属性，如果有N个键共享一个值，refcount对应的值就为N。创建共享字符串对象的数量可以通过redis.h/redis_shared_intengers常量来修改。object refcount命令可以查看某个键对应的值被引用了多少次。

　　让多个键共享一个值，需要执行以下两个步骤：

　　　　将键的值指针，指向被共享的值对象

　　　　被共享的值对象的引用计数器加一，即refcount属性的值加一，引用数为2的共享对象结构图如下图所示：

【进一步说明】
  当服务器考虑将一个键的值引用共享对象时，键的值作为目标对象，程序需要先检查共享对象和目标对象的类型是否完全相同，只有在完全相同的情况下，共享对象才会被引用。而一个共享对象保存的值越复杂，验证共享对象与目标对象所需的复杂度就会越高，消耗的CPU时间也会越多。
  所以共享对象的优点是被其它键引用时，可以节省内存空间，缺点是被引用时需要进行判断，这个过程需要消耗CPU，如果共享对象简单，消耗很小的CPU并节省内存空间是值得的。但如果对象很复杂，进行判断就需要消耗大量CPU，消耗大量CPU去节省内存空间是不值得的，因为redis本身的内存空间还是很大的。

　　redis支持5种对象，包括字符串对象、列表对象、哈希对象、集合对象以及有序集合对象。而字符串对象是redis中的一个基础对象，其它对象均可以在底层的数据结构内部嵌套字符串对象。

对象共享：

　　1、只有字符串对象才能被创建为共享对象，被其它字符串键使用；

　　2、用字符串对象创建的共享对象，不单单只有字符串键可以使用，那些在数据结构中嵌套了字符串对象的对象(linkedlist编码的列表对象、hashtable编码的哈希对象、hashtable编码的集合对象，以及skiplist编码的有序集合对象)都可以使用这些字符串共享对象。

【对象的空转时长--lru属性】

  对象结构的lru属性，记录了对象最后一次被命令程序访问的时间
  空转时长：当前时间减去键的值对象的lru时间，就是该键的空转时长。Object idletime命令可以打印出给定键的空转时长
  如果服务器打开了maxmemory选项，并且服务器用于回收内存的算法为volatile-lru或者allkeys-lru，那么当服务器占用的内存数超过了maxmemory选项所设置的上限值时，空转时长较高的那部分键会优先被服务器释放，从而回收内存。

2.1、字符串对象

2.11、字符串对象介绍

　　字符串对象可以存储整数、浮点数、字符串，具体策略是：
  　　当存储整数时，用到的编码是int，底层的数据结构可以用来存储long类型的整数
  　　当存储字符串时，如果字符串的长度小于等于32字节，那么将用编码为embstr的格式来存储；如果字符串的长度大于32字节，将用编码为raw的SDS格式来存储
  　　当存储浮点数时会先将浮点数转换为字符串，如果转换后的字符串长度小于32字节就用编码为embstr的格式来存储，否则用编码为raw的SDS格式来存储

　　下图是以raw编码的字符串对象结构图，最左侧是对象结构，中间跟右侧合起来是raw编码的SDS数据结构(sdshdr)，示例图：

2.12、raw编码，简单动态字符串(simple dynamic string-SDS)

　　虽然redis由C语言编写，但是redis用的并不是C语言传统的字符串，而是自己构建了简单动态字符串(simple dynamic string,SDS)。当redis打印日志信息或输出报错信息，这些输出的字符串是不会被修改的字符串字面量(sting literal)，此时用的是C语言传统的字符串来存储这些信息的。当redis需要存储的是可以被修改的字符串时，就会使用SDS结构。除了用来保存数据库中的字符串值之外，SDS还被用作缓冲区(buffer)：AOF模块中的AOF缓冲区，以及客户端状态中的输入缓冲区，都是由SDS实现的。

　　redis使用sdshdr结构来表示一个SDS的值，SDS结构示意图如下：

sdshdr是该数据结构的名称即SDS，其中：
  buf属性，是一个字节数组，用来保存字符串，后面箭头对应的就是实际保存的字符串内容，最后以’\0’空字符串结尾
  len属性，记录的是buf数组中实际已使用的字节数量，等于SDS所保存字符串的长度
  free属性，记录的是buf数组中未存储内容的空余大小，单位字节

2.1.3、使用SDS的好处

一、可以用O(1)的复杂度获取到字符串长度
  　　SDS的len属性记录了字符串的长度，而传统C字符串要想知道长度需要遍历整个字符串。相比于传统C字符串，redis获取字符串长度所需的复杂度从O(N)降低到了O(1)。
  即使对非常长的字符串反复执行STRLEN命令(获取字符串长度)，也不会造成过多的性能消耗。

二、杜绝缓冲区溢出
  在传统的C字符串中，如果要修改字符串的内容，但修改后字符串的长度超过原先的长度就会发生溢出现象。详见下图：

　　在SDS中，当需要对buf字节数组中存储的内容进行修改(增添或删除)时，API会先通过free和len属性检查SDS的空间是否足够，如果不够的话，SDS会自动扩展空间再对内容进行修改。关于自动扩展空间的策略见下方“空间预分配”的内容。

三、减少修改字符串长度时所需的内存重分配次数
　　对于传统C字符串：
  　　如果执行的是增长字符串的操作，如拼接操作(append)，那么在执行命令之前，程序需要先通过内存重分配来扩展底层数据的空间大小——否则会产生缓冲区溢出。
  　　如果执行的是缩短字符串的操作，如截断操作(trim)，那么在执行这个操作之后，程序需要通过内存重分配来释放字符串不再使用的空间——否则会产生内存泄漏。

　　对于redis中的SDS结构：
  　　内存重分配设计复杂的算法，是一个比较耗时的操作，redis作为速度要求严苛、数据会被频繁执行的数据库，如果每次修改字符串都需要进行一次内存重分配，会严重影响性能。
  　　使用SDS，buf数组里可以包含未使用的字节，这些字节的数量由free属性记录，可以减少修改字符串长度时所需的内存重分配次数。

【空间预分配和惰性空间释放】
通过SDS中free属性定义的未使用空间，SDS可以实现空间预分配和惰性空间释放两种优化策略：
1、空间预分配策略——可以降低字符串增长操作引起的内存重分配
当需要修改SDS的内容，且需要进行空间扩展的时候，程序不仅会为SDS分配修改所需的必须空间，还会为SDS分配额外的未使用空间。
其中，额外分配的未使用空间数量由以下公式决定：
  如果对SDS进行修改之后，SDS的长度(即len属性的值)将小于1MB，那么程序将分配和len属性同样大小的未使用空间，这时SDS len属性的值将和free属性的值相同。
  如果对SDS进行修改后，SDS的长度将大于等于1MB，那么程序会分配1MB的未使用空间。

【进一步说明】
  如果对一个字符串的末尾持续追加内容，当字符串整体大小大于1MB时，即使只追加一字节的字符，程序也会额外分配1MB的空间，当再次追加一字节的字符时，程序不会再额外分配1MB的空间，而是使用已有的空闲空间。
  即在扩展空间之前，会先检查未使用的空间是否足够，如果足够，是不会额外再扩展的
  通过空间预分配策略，SDS将连续增长N次字符串所需的内存重分配次数从必定N次降低为最多N次。

2、惰性空间释放策略——可以降低字符串缩短操作引起的内存重分配
  当SDS中的字符串长度被缩短时，程序并不会立即使用内存重分配来回收缩短后多出来的字节空间，而是使用free属性将这些字节的数量记录起来，以备将来使用。
  当然，redis提供了相应的命令来真正释放这些未使用空间，避免不必要的内存浪费。

四、二进制安全
  C字符串中的字符必须符合某种编码(比如ASCII)，并且除了字符串的末尾之外，字符串里面不能包含空字符，如果字符串除末尾外还有其它空字符，那么最先被程序读入的空字符将被误认为是字符串结尾，这些限制使得C字符串只能保存文本数据，而不能保存图片、音频、视频、压缩文件这样的二进制数据。
  为了确保redis可以适用于各种不同的使用场景，SDS的API都是二进制安全的(binary-safe)，所有SDS API都会以处理二进制的方式来处理SDS存放buf数组里的数据，程序不会对其中的数据做任何限制、过滤或者假设，数据在写入时是什么样的，它被读取时就是什么样。
  这也是SDS的buf属性被称为字节数组的原因——redis不是用这个数组来保存字符，而是用它来保存一系列二进制数据。

五、兼容部分C字符串函数
  SDS遵循空字符串结尾这一惯例，好处是可以直接重用C字符串函数库里的函数，从而避免了不必要的代码重复

【embstr编码】

  如果字符串对象保存的是长度小于等于32字节的字符串，那么将会使用embstr编码，embstr编码是专门用来保存短字符串的一种优化编码方式。embstr编码与raw编码对应的字符串对象，都是由对象结构(redisObject)和数据结构(sdshdr)组成的。
  区别在于用raw编码的字符串对象会调用两次内存分配函数来分别创建redisObject结构和sdshdr结构，而embstr编码则通过调用一次内存分配函数来分配一块连续的空间，空间中一次包含redisObject和sdshr两个结构，embstr编码的字符串对象结构图如下所示：

两者的区别
embstr编码的字符串对象在执行命令时，产生的效果和raw编码的字符串对象执行命令时产生的效果是相同的，但使用embstr编码的字符串对象来保存短字符串值有以下好处：
  1、embstr编码将创建字符串对象所需的内存分配次数从raw编码的两次降低为一次
  2、释放embstr编码的字符串对象只需要调用一次内存释放函数，而释放raw编码的字符串对象需要调用两次内存释放函数
  3、embstr编码的字符串对象的所有数据都保存在一块连续的内存里，结构更加紧凑，而raw编码是分散开的，redisObject对象结构和sdshdr数据结构彼此间是用指针相关联的，embstr编码的对象比raw编码的对象能够更好的利用缓存带来的优势。

【编码的转换】

  int编码的字符串对象和embstr编码的字符串对象在条件满足的情况下，会被转换成raw编码的字符串对象。encoding命令可以查看键对应的值，底层用的是什么编码。
int转换为raw：
  对于int编码的字符串对象来说，如果我们向对象执行了一些命令，使得这个对象保存的不再是整数值，而是一个字符串值，那么字符串对象的编码将从int变为raw

127.0.0.1:> set a
OK
127.0.0.1:> object encoding a
"int"
127.0.0.1:> append a 'a'
(integer)
127.0.0.1:> get a
"100a"
127.0.0.1:> object encoding a
"raw"

int编码的字符串，存储的是long类型的整数，范围是2^63-1(2的63次方减一) ~ -2^63(2的63次方)，当存储的整数在该范围内时，编码为int，当值超过该范围，编码将转换为embstr

127.0.0.1:> set number1
OK
127.0.0.1:> object encoding number1
"int"
127.0.0.1:> set number1
OK
127.0.0.1:> object encoding number1
"embstr"
127.0.0.1:> set number -
OK
127.0.0.1:> object encoding number
"int"
127.0.0.1:> set number -
OK
127.0.0.1:> object encoding number
"embstr"

embstr转换为raw：
  embstr编码的字符串对象无法被修改(redis没有为embstr编码的字符串对象编写任何响应的修改程序)，只有int、raw编码的字符串对象可以被修改，所以embstr编码的字符串实际上是只读的。
  当对embstr编码的字符串对象执行任何修改命令时，程序都会先将对象的编码从embstr转换为raw，然后再执行修改命令。所以一旦embstr编码的字符串被修改，它的数据结构就会变成raw编码的格式。

127.0.0.1:> set a 'ab'
OK
127.0.0.1:> object encoding a
"embstr"
127.0.0.1:> append a 'c'
(integer)
127.0.0.1:> get a
"abc"
127.0.0.1:> object encoding a
"raw"

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列表对象、哈希对象等，请参考学习之Redis（二）：https://www.cnblogs.com/wbq1994/p/12031353.html