深入探索Java开发世界：Redis~类型分析大揭秘

Redis数据库基础知识，类型知识点梳理~

一、数据结构类型

Redis是一种基于内存的开源键值对存储系统，支持多种数据结构类型。

1. String（字符串）
   • 特点：
     • 最基本的数据类型。
     • 可以存储任何形式的字符串，包括二进制数据。
     • 最大值为512MB。
   • 常用命令：
     • SET key value：设置键值。
     • GET key：获取键值。
     • INCR key / DECR key：对值进行原子递增/递减操作。
     • APPEND key value：追加字符串。
   • 使用场景：
     • 缓存：将常用的数据存储在Redis中以提高访问速度。
     • 计数器：如网站访问量统计、点赞数等。
     • 会话存储：保存用户登录状态和信息。
     • 分布式锁
2. List（列表）
   • 特点：
     • 有序的字符串集合。
     • 可以从两端推入和弹出元素（双向链表）。
   • 常用命令：
     • LPUSH key value / RPUSH key value：从左/右插入元素。
     • LPOP key / RPOP key：从左/右弹出元素。
     • LRANGE key start stop：获取指定范围内的元素。
   • 使用场景：
     • 消息队列：实现简单的生产者 - 消费者模式。
     • 最新消息列表：如社交媒体的动态更新。
     • 任务队列：后台任务调度。
3. Set（集合）
   • 特点：
     • 无序的字符串集合。
     • 集合中的元素是唯一的。
   • 常用命令：
     • SADD key member：添加元素。
     • SREM key member：删除元素。
     • SMEMBERS key：获取所有元素。
     • SINTER key1 key2：求交集。
     • SUNION key1 key2：求并集。
     • SDIFF key1 key2：求差集。
   • 使用场景：
     • 标签系统：如文章标签。
     • 共同好友：计算用户之间的共同好友。
     • 唯一性保证：如注册用户的唯一标识。
4. Sorted Set（有序集合）
   • 特点：
     • 有序的元素集合，每个元素附带一个分数。
     • 元素根据分数排序。
   • 常用命令：
     • ZADD key score member：添加元素及其分数。
     • ZRANGE key start stop [WITHSCORES]：按排名获取元素。
     • ZREM key member：删除元素。
     • ZRANK key member：获取元素的排名。
   • 使用场景：
     • 排行榜：游戏积分榜、竞赛排名等。
     • 优先级队列：任务调度，根据优先级处理任务。
     • 范围查询：如获取一定范围内的高分用户。
5. Hash（哈希表）
   • 特点：
     • 键值对集合。
     • 适合存储对象。
   • 常用命令：
     • HSET key field value：设置字段的值。
     • HGET key field：获取字段的值。
     • HGETALL key：获取所有字段和值。
     • HDEL key field：删除字段。
   • 使用场景：
     • 对象存储：存储用户信息、商品信息等。
     • 缓存对象：避免序列化和反序列化操作。
6. HyperLogLog
   • 特点：
     • 基数估算法。
     • 用于快速估算集合的基数（不重复元素的数量）。
     • 占用内存非常小（每个HyperLogLog数据结构占用12KB内存）。
   • 常用命令：
     • PFADD key element：添加元素。
     • PFCOUNT key：返回基数估算结果。
   • 使用场景：
     • 独立总数统计：如网站的独立访客数、点击量等。
7. Bitmap
   • 特点：
     • 位数组。
     • 用于记录布尔值（0或1）。
   • 常用命令：
     • SETBIT key offset value：设置位的值。
     • GETBIT key offset：获取位的值。
     • BITCOUNT key [start end]：统计特定位范围内1的数量。
   • 使用场景：
     • 签到系统：记录用户每日签到情况。
     • 用户在线情况：记录用户在线时长。
     • 大规模布尔值存储：如A/B测试组的分配。
8. Geospatial（地理位置）
   • 特点：
     • 存储地理位置数据。
     • 提供半径查询、距离计算等功能。
   • 常用命令：
     • GEOADD key longitude latitude member：添加地理位置。
     • GEORADIUS key longitude latitude radius unit：查询指定半径内的成员。
     • GEODIST key member1 member2 unit：计算两个成员之间的距离。
   • 使用场景：
     • 附近的人/店：社交应用、电子商务应用的地理位置查询。
     • 路线规划：计算距离和路径优化。
9. Streams
   • 特点：
     • 日志数据结构。
     • 支持消费组，可以实现消费者分组。
   • 常用命令：
     • XADD key * field value [field value ...]：添加日志条目。
     • XRANGE key start end：按范围获取条目。
     • XREAD COUNT count STREAMS key ID：读取新条目。
     • XGROUP CREATE key groupname id：创建消费组。
   • 使用场景：
     • 日志收集：实时日志收集和处理。
     • 消息队列：复杂的消息队列系统，支持多消费者。
     • 事件溯源：记录和回放事件。

二、分布式锁类型

使用分布式锁时，要考虑锁的超时时间、锁的可重入性、锁的安全性等方面的问题，以确保系统的正确性和性能。

Redis中的分布式锁类型：

1. 基于SETNX命令的分布式锁：
   • 实现：利用Redis的原子性操作，通过SETNX命令来实现锁的获取，当某个客户端成功地将一个特定的键设置为锁时，其他客户端无法再设置该键，从而实现分布式锁的效果。
   • 优点：简单、易于实现。
   • 缺点：存在死锁问题，因为如果持有锁的客户端在执行完业务逻辑之前出现异常或者宕机，锁将永远得不到释放。
   • 解决方案：
     • 引入看门狗机制：通过为获取到锁的客户端设置一个过期时间，并使用一个后台线程（即看门狗）来监控锁的状态，确保锁在业务处理完成之后能够自动释放。
     • 原理：即使持有锁的客户端异常退出或宕机，由于锁设置了过期时间并且看门狗会不断更新锁的过期时间，其他客户端在一定时间内仍然能够获取到锁。
2. 基于Redlock算法的分布式锁：
   • 实现：Redlock算法是由Redis的作者提出的一种分布式锁算法，它通过在多个独立的Redis实例上加锁来实现分布式锁。
   • 具体实现过程：获取当前时间戳、尝试在多个实例上加锁、验证大多数实例是否成功加锁、如果大多数实例成功加锁则表示获取锁成功，否则表示获取失败。
   • 优点：相对较为安全，能够避免单点故障导致的死锁问题。
   • 缺点：实现相对复杂，需要确保各个Redis实例的时间同步。
3. 使用Redisson实现分布式锁：
   • 原理：Redisson实现的分布式锁利用了Redis的特性，并且内置了看门狗机制，并且Redisson内部已经处理好了看门狗机制。当你获取到锁后，Redisson会启动一个后台线程，周期性地延长锁的过期时间（每隔10秒），确保锁在持有期间不会因为过期而被自动释放。这个机制有效地防止了因意外长时间持锁导致的死锁问题。
   • 实现步骤：
     • 客户端尝试获取锁时，设置一个带有过期时间的键值对（即锁），并给该键设置一个适当的过期时间，一般可以使用SET key value PX milliseconds NX命令来实现。
     • 在获取锁成功后，启动一个后台线程（即看门狗），不断延长锁的过期时间以防止锁过早释放。
     • 在业务处理完成后，客户端主动释放锁，通过DEL key命令删除锁的键。
   • 实现流程：

（1）引入Redisson的依赖。

<dependency>
    <groupId>org.redisson</groupId>
    <artifactId>redisson</artifactId>
    <version>3.16.3</version>
</dependency>

（2）配置Redisson客户端。

import org.redisson.Redisson;
import org.redisson.api.RedissonClient;
import org.redisson.config.Config;

public class RedissonConfig {
    public static RedissonClient createClient() {
        Config config = new Config();
        config.useSingleServer().setAddress("redis://127.0.0.1:6379");
        return Redisson.create(config);
    }
}

（3）通过Redisson客户端来获取和释放分布式锁。

import org.redisson.api.RLock;
import org.redisson.api.RedissonClient;

public class DistributedLockExample {
    public static void main(String[] args) {
        RedissonClient redissonClient = RedissonConfig.createClient();

        // 获取名为 "myLock" 的锁
        RLock lock = redissonClient.getLock("myLock");

        try {
            // 尝试获取锁，等待时间为100秒，如果获取成功，则持有锁10秒
            if (lock.tryLock(100, 10, TimeUnit.SECONDS)) {
                try {
                    // 锁获取成功，执行需要加锁的业务逻辑
                    System.out.println("锁定成功，执行业务逻辑");
                } finally {
                    // 释放锁
                    lock.unlock();
                }
            } else {
                System.out.println("未能获取到锁");
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            redissonClient.shutdown();
        }
    }
}

使用分布式锁场景：

• 控制对共享资源的访问：例如限制对数据库的并发访问，保证数据的一致性。
• 防止重复操作：例如在订单支付时，需要防止用户重复支付同一笔订单。
• 避免缓存击穿：通过加锁避免大量并发请求同时穿透缓存直接请求数据库。

三、事物命令类型

Redis中的事务是一组命令的原子性操作，可以保证这组命令要么全部执行成功，要么全部失败。Redis事务使用MULTI、EXEC、DISCARD和WATCH等命令进行控制。

Redis事务命令类型：

1. MULTI命令：开始事务。
2. MULTI和EXEC之间：可以执行多个命令，这些命令会被放入一个队列中，而不是立即执行。
3. EXEC命令：提交事务，Redis会按照顺序执行队列中的命令，如果所有命令都执行成功，事务成功提交；否则，事务失败。
4. DISCARD命令：取消事务，清空事务队列中的所有命令。
5. WATCH命令：监视一个或多个键，如果在事务执行期间被监视的键发生了变化，事务将被中断。

Redis事务使用场景：

1. 原子性操作：Redis事务可以确保一组操作的原子性，要么全部执行成功，要么全部失败回滚。这对于需要执行多个命令才能完成的操作非常有用，例如购买商品时同时减少库存、记录订单等操作可以放在一个事务中。
2. 批量操作：Redis事务可以将多个命令一次性发送给服务器执行，减少网络延迟开销。通过将多个操作放在一个事务中，可以提高性能和效率。
3. 乐观锁机制：通过WATCH命令和事务结合，可以实现乐观锁机制。在操作某个键之前，先通过WATCH命令监视该键，如果在执行事务期间该键的值被修改，则事务执行失败。可以利用这个特性实现乐观锁来保证并发操作的一致性。
4. 批量写入缓存：在某些场景下，需要将多个键值对同时写入Redis缓存中，保证数据的一致性。使用事务可以将这些写入命令放入队列中，然后一次性执行，避免了在执行过程中被其他操作干扰。
5. 实现简单的队列：通过将任务放入队列中，然后使用事务和BRPOP命令可以实现简单的队列功能。多个客户端可以并发地将任务推入队列，然后通过事务的方式一次性取出多个任务进行处理。

Redis事物使用Demo：

import redis.clients.jedis.Jedis;
import redis.clients.jedis.Response;
import redis.clients.jedis.Transaction;

public class RedisTransactionExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 使用Jedis库连接Redis服务器
        Jedis jedis = new Jedis("localhost", 6379);
        
        // 开启事务
        Transaction transaction = jedis.multi();
        
        // 将多个命令添加到事务中
        transaction.set("key1", "value1");
        transaction.set("key2", "value2");
        
        // 执行事务，并返回执行结果
        Response<String> response1 = transaction.get("key1");
        Response<String> response2 = transaction.get("key2");
        // 执行事务
        // 在事务中，命令并不会立即执行，而是放入队列中等待exec()命令执行
        transaction.exec();
        
        // 获取执行结果
        String value1 = response1.get();
        String value2 = response2.get();
        
        System.out.println("Value of key1: " + value1);
        System.out.println("Value of key2: " + value2);
        
        // 关闭连接
        jedis.close();
    }
}

ps：Redis事务并不是严格的ACID事务，它没有提供隔离级别和回滚日志等特性。在Redis事务中，如果某个命令执行失败，后续的命令仍然会继续执行，而不会回滚到事务开始之前的状态，对于强一致性要求较高的场景，Redis事务可能不适用。

四、事物三大特性类型

Redis事务适用于对数据一致性要求较低但需要确保操作顺序的场景。对于更复杂的事务管理和更高的数据一致性要求，可能需要考虑使用关系型数据库或其他解决方案。

1. 单独隔离操作
   • 特性描述：
     • Redis事务中的所有命令都会被依次执行，中间不会插入其他客户端的命令。
     • 这意味着在一个事务中，一系列命令要么全部执行，要么全部不执行，不存在部分执行的情况。
   • 使用场景：
     • 计数器操作：确保多个增减操作在同一时间点的原子性。例如，某个文章的点赞数同时被多个用户点击时，通过事务确保计数器的正确性。
     • 集合操作：对集合进行批量操作时，确保整个操作的原子性和一致性。
   • 代码Demo：

import redis.clients.jedis.Jedis;
import redis.clients.jedis.Transaction;

public class RedisTransactionExample {
    public static void main(String[] args) {
        Jedis jedis = new Jedis("localhost");
        
        // 开启事务
        Transaction transaction = jedis.multi();
        
        try {
            // 将多个命令打包到一个事务中
            transaction.incr("counter");
            transaction.rpush("queue", "message1");
            transaction.set("key1", "value1");

            // 执行事务
            transaction.exec();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            // 处理事务执行失败的情况，放弃事务
            transaction.discard();
        } finally {
            jedis.close();
        }
    }
}

1. 没有隔离级别的概念
   • 特性描述：
     • Redis事务中的命令是按照顺序串行执行的，不存在并发访问数据的情况，因此也就不存在传统数据库中的隔离级别（如读已提交、可重复读、幻读等）。
   • 使用场景：
     • 简单的读写操作：避免复杂的并发控制需求，确保单一客户端在事务期间的数据操作不被其他客户端干扰。
     • 确保顺序性：在需要严格顺序执行的操作场景下，事务提供了一种方便的实现方式。
   • 代码Demo：

import redis.clients.jedis.Jedis;
import redis.clients.jedis.Transaction;

public class RedisTransactionExample {
    public static void main(String[] args) {
        Jedis jedis = new Jedis("localhost");
        
        // 开启事务
        Transaction transaction = jedis.multi();
        
        try {
            // 将多个命令按顺序打包到一个事务中
            transaction.set("key1", "value1");
            transaction.set("key2", "value2");
            transaction.incr("counter");

            // 执行事务
            transaction.exec();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            // 处理事务执行失败的情况，放弃事务
            transaction.discard(); 
        } finally {
            jedis.close();
        }
    }
}

1. 不保证原子性
   • 特性描述：
     • 虽然Redis事务将多个命令打包成一个执行单元，但它并不完全保证原子性。
     • 如果在事务执行过程中出现了错误，事务中已执行的命令不会回滚，而是会继续执行未执行的命令。
   • 使用场景：
     • 批量更新操作：在需要更新多个键值对的场景下，事务可以简化代码逻辑，尽管不能完全保证原子性，但通过合理的错误处理可以满足业务需求。
     • 数据一致性要求不高的操作：例如日志记录、缓存更新等，即使部分命令执行失败，也不会对整体系统造成巨大影响。
   • Java代码示例：

import redis.clients.jedis.Jedis;
import redis.clients.jedis.Transaction;

public class RedisTransactionExample {
    public static void main(String[] args) {
        Jedis jedis = new Jedis("localhost");
        
        // 开启事务
        Transaction transaction = jedis.multi();
        
        try {
            // 将多个命令打包到一个事务中
            transaction.set("key1", "value1");
            transaction.incr("counter");
            
            // 故意引入错误的命令（例如对不存在的哈希字段进行递增）
            transaction.hincrBy("nonexistent_hash", "field", 1);

            // 执行事务
            transaction.exec();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            // 处理事务执行失败的情况，放弃事务
            transaction.discard(); 
        } finally {
            jedis.close();
        }
    }
}

无论世界如何纷扰，心中有梦，便有了方向