前沿观察 | Redis Streams原生数据结构科普

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Redis 5.0中以引入的新Redis数据结构“Streams”引起了社区的极大兴趣。

不久之后，我想进行社区调查，与有生产用例的用户交谈，并撰写博客。今天我想解决另一个问题：我开始怀疑很多用户只是将Streams作为解决Kafka（TM）类似场景的方案。但实际上，Stream数据结构也被设计为在生产者和消费者消息传递的场景使用，但是认为Redis Streams仅仅对这个场景有用是不够的。

Stream是一种极好的模式和“心智模型”，可以在系统设计中取得巨大成功，但Redis Streams与大多数Redis数据结构一样，更为通用，可用解决十几种不同场景的问题。因此，在这篇博文中，我将把Streams作为一个纯数据结构来关注，完全忽略它的阻塞操作、用户组和所有消息传递部分。

Streams是更高性能的CSV

如果你想要记录一系列结构化数据项，并且认为数据库被高估了，那么您可以这样说：让我们以追加模式打开一个文件，并将每一行记录为CSV(逗号分隔值)项:

(open data.csv in append only)

time=1553096724033,cpu_temp=23.4,load=2.3

time=1553096725029,cpu_temp=23.2,load=2.1

看起来很简单，人们做了很多年并且仍然这样做：如果你知道自己在做什么，这是一个固定的模式。但是内存相当于什么呢？内存比附加文件更强大，可以自动优化CSV文件的限制：

1. 在这里进行范围查询很困难（效率低下）。

2. 冗余信息太多：每个条目的时间几乎相同，字段重复。如果我为了切换到另一组字段删除它，又会使格式变得不太灵活。

3. 项偏移只是文件中的字节偏移量：如果我们更改文件结构，则偏移量将是错误的，因此这里没有实际的主要ID概念。条目基本上不会以某种方式被单独处理。

4. 我不能删除条目，但是如果不能通过重写日志，我只能在没有垃圾收集功能的情况下将它们标记为无效。由于几个原因，日志重写通常很糟糕，如果可以避免，那就很好。

尽管如此，CSV条目的日志在某种程度上还是非常棒的：没有固定的结构，字段可能会更改，生成起来很简单，而且毕竟非常紧凑。Redis Streams的理念是保留好东西，但要克服限制。其结果是一个与Redis排序集非常相似的混合数据结构:它们感觉像一个基本的数据结构，但是为了获得这样的效果，在内部它使用多个表示形式。

Streams 101（如果你已经知道Redis Stream的基础知识，你可以跳过它）

Redis Streams表示为由基数树链接在一起的delta压缩宏节点。效果是能够以非常快的方式寻找随机条目，在需要时获得范围，移除旧项目以创建加盖流，等等。然而，我们与程序员的接口非常类似于CSV文件：

> XADD mystream * cpu-temp 23.4 load 2.3

"1553097561402-0"

> XADD mystream * cpu-temp 23.2 load 2.1

"1553097568315-0"

从上面的示例中可以看出，XADD命令自动生成并返回条目ID，它是单调递增的，有两部分：<time>  -  <counter>。时间以毫秒为单位，在相同毫秒内生成的条目的计数器会增加。因此，在“追加模式CSV文件”概念之上的第一个新抽象是，因为我们使用星号作为XADD的ID参数，所以我们从服务器获得免费的条目ID。此类ID不仅可用于指向stream中的特定项，还与将条目添加到stream中的时间相关。事实上，使用XRANGE，可以执行范围查询或获取单个项目：

> XRANGE mystream 1553097561402-0 1553097561402-0

1) 1) "1553097561402-0"

  2) 1) "cpu-temp"

     2) "23.4"

     3) "load"

     4) "2.3"

在这种情况下，我使用相同的ID作为范围的开始和停止，以便识别单个元素。但是我可以使用任何范围和COUNT参数来限制结果的数量。类似地，不需要将完整ID指定为范围，我可以使用ID的毫秒unix时间部分来获取给定时间范围内的元素：

> XRANGE mystream 1553097560000 1553097570000

1) 1) "1553097561402-0"

  2) 1) "cpu-temp"

     2) "23.4"

     3) "load"

     4) "2.3"

2) 1) "1553097568315-0"

  2) 1) "cpu-temp"

     2) "23.2"

     3) "load"

     4) "2.1"

目前没有必要向您展示更多Streams API，还有Redis文档。现在让我们只关注这种使用模式：XADD添加东西，XRANGE（还有XREAD）以获取范围（取决于你想要做什么），让我们看看为什么我声称Streams像数据一样强大结构体。但是，如果您想了解有关Redis Streams及其API的更多信息，请务必访问以下教程：

https ：//redis.io/topics/streams-intro

网球运动员

几天前，我和一个正在学习Redis的朋友一起制作了一个应用程序：一个用来跟踪当地网球场、当地球员和比赛的应用程序。用Redis为播放器建模的方式非常明显，播放器是一个小对象，所以只需要一个散列，键名为player:。你在Redis中模拟玩家的方式非常明显，玩家是一个小对象，所以你需要一个Hash，其中的关键名称如player：<id>。当您进一步对应用程序数据建模时，要使用Redis作为它的主要工具，你会立即意识到需要一种方法来跟踪在给定网球俱乐部中玩的游戏。如果玩家：1和玩家2玩游戏，玩家1赢了，我们可以在流中写下以下条目：

> XADD club:1234.matches * player-a 1 player-b 2 winner 1

"1553254144387-0"

通过这个简单的操作，我们有：

1. 匹配的唯一标识符：stream中的ID。

2. 无需创建对象即可识别匹配项。

3. 范围查询免费分页匹配项，或检查在过去某个给定时刻所进行的匹配项。

在Streams之前，我们需要创建一个按时间划分的排序集：排序的集合元素将是匹配的ID，作为哈希值存在于不同的密钥中。这不仅仅是更多的工作，它还浪费了大量的内存。更多，比你能猜到的还要多（见后文）。

现在要说明的是，Redis Streams是一种排序集，在追加模式中，按时间键入，每个元素都是一个小哈希。简单来说，这是Redis建模领域的一场革命。

内存使用情况

上面的用例不仅仅是一个更可靠的模式问题。与旧的方法相比，Stream解决方案的内存成本是如此不同，旧的方法是为每个对象设置一个排序集+散列，这使得某些东西不可行，现在完全没问题。这些是在先前公开的配置中存储的一百万个匹配的数字：

排序集+哈希内存使用量= 220 MB（242 RSS）

Stream内存使用量= 16.8 MB（18.11 RSS）

这不仅仅是一个数量级的差异(准确地说是13倍的差异)，这意味着昨天对于内存来说过于昂贵的用例现在是完全可行的。神奇之处在于Redis流的表示:宏节点可以包含几个元素，这些元素以一种非常紧凑的方式编码在名为listpack的数据结构中。例如，即使整数是语义上的字符串，listpack也会注意以二进制形式编码整数。在此基础上，我们应用delta压缩和相同字段压缩。然而，我们可以通过ID或时间来查找，因为这样的宏节点是在基数树中链接的，而基数树的设计也是为了使用很少的内存。所有这些因素加在一起导致了低内存使用量，但有趣的是，从语义上来说，用户看不到任何使Stream有效的实现细节。

现在让我们做一些简单的数学运算。如果我可以在大约18 MB的内存中存储100万个条目，我可以在180 MB中存储1000万个，在1.8 GB中存储1亿个。只有18 GB的内存，我可以拥有10亿个项目。

时间序列

需要注意的一点是，在我看来，上面我们使用流来表示网球比赛的用法与在时间序列中使用Redis Stream的用法在语义上“非常不同”.是的，从逻辑上讲，我们仍在记录某种事件，但一个根本区别在于，在一种情况下，我们使用日志记录和条目的创建来呈现对象。在时间序列的情况下，我们只是计量外部发生的事情，这并不代表一个对象。你可能认为这种差异微不足道，但事实并非如此。

对于Redis用户来说，重要的是要构建这样一个概念，即可以使用Redis流创建具有总顺序的小对象，并为这些对象分配id。然而，即使是时间序列最基本的用例，很明显，在这里也是一个很大的用例，因为在Streams之前，Redis对于这样的用例是没有希望的。Streams的内存特性和灵活性，加上封顶流的能力（参见XADD选项），是开发人员手中非常重要的工具。

结论

Streams是灵活的，有很多用例，但是我想把这篇博客文章缩短，以确保在上面的例子和内存使用分析中有一个明确的实用信息。对于许多读者来说，这可能已经很明显了，但在过去几个月与人交谈让我觉得Streams和streaming用例之间存在强烈关联，就好像数据结构只是擅长这样，但其实事实并非如此。

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