Redis协议详解及其异步应用

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一、Redis Pipeline（管道）

概述

Redis Pipeline（管道） 是一种客户端机制，允许一次性发送多个Redis命令到服务器，而无需等待每个命令的响应。通过管道，可以显著减少网络延迟，提高命令执行的吞吐量。

优点

• 减少网络延迟：批量发送命令，减少网络往返次数（RTT）。
• 提高吞吐量：一次性处理多个命令，提升操作效率。

使用场景

• 批量插入或更新数据：如批量存储用户信息或日志数据。
• 批量读取数据：如同时获取多个键的值。

工作原理

传统上，每个Redis命令在客户端和服务器之间都需要一次网络往返通信。当需要执行大量命令时，这种通信开销会成为性能瓶颈。使用Redis Pipeline，可以将多个命令打包成一个网络请求一次性发送给服务器，减少网络开销，并更充分地利用服务器的处理能力。

Pipeline 的基本操作步骤

1. 创建 Pipeline 对象：在客户端中创建一个 Pipeline 对象，用于存储要执行的多个命令。
2. 向 Pipeline 中添加命令：使用 Pipeline 对象的方法（如 pipeline.set(key, value)）向其中添加要执行的Redis命令。可以添加任意多个命令。
3. 执行 Pipeline：调用 Pipeline 对象的 execute() 方法，将 Pipeline 中的所有命令一次性发送给Redis服务器执行。
4. 获取结果：通过遍历 Pipeline 中的命令结果，或使用 execute() 方法的返回值来获取执行结果。

C++ 示例（使用 hiredis 库）

以下示例展示了如何使用 hiredis 库在C++中实现Redis Pipeline：

#include <hiredis/hiredis.h>
#include <iostream>
#include <vector>
#include <string>int main() {// 连接到Redis服务器redisContext *c = redisConnect("127.0.0.1", 6379);if (c == nullptr || c->err) {if (c) {std::cerr << "Connection error: " << c->errstr << std::endl;redisFree(c);} else {std::cerr << "Can't allocate redis context" << std::endl;}return 1;}// 启动管道：使用 MULTI 开启事务redisAppendCommand(c, "MULTI");redisAppendCommand(c, "SET key1 value1");redisAppendCommand(c, "SET key2 value2");redisAppendCommand(c, "SET key3 value3");redisAppendCommand(c, "EXEC");// 读取响应for (int i = 0; i < 5; ++i) {redisReply *reply;if (redisGetReply(c, (void**)&reply) == REDIS_OK) {// 处理每个回复if (reply->type == REDIS_REPLY_STATUS) {std::cout << "Reply " << i << ": " << reply->str << std::endl;} else if (reply->type == REDIS_REPLY_ARRAY) {std::cout << "Reply " << i << ": [";for (size_t j = 0; j < reply->elements; ++j) {if (reply->element[j]->str)std::cout << reply->element[j]->str;elsestd::cout << "nil";if (j != reply->elements -1) std::cout << ", ";}std::cout << "]" << std::endl;} else {std::cout << "Reply " << i << ": " << (reply->str ? reply->str : "") << std::endl;}freeReplyObject(reply);} else {std::cerr << "Failed to get reply" << std::endl;break;}}// 关闭连接redisFree(c);return 0;
}

输出示例：

Reply 0: OK
Reply 1: OK
Reply 2: OK
Reply 3: OK
Reply 4: [OK, OK, OK]

解释：

1. redisAppendCommand：将多个命令（包括事务命令 MULTI 和 EXEC）添加到管道中。
2. redisGetReply：逐个获取命令的响应。
3. 处理回复：根据回复类型处理并输出每个命令的响应。

注意：在实际应用中，可以根据需求添加更多命令到管道中，以实现批量操作。

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二、Redis 事务

概述

Redis 事务 允许客户端一次性执行一系列命令，确保这些命令按顺序执行且没有其他客户端的干扰。事务通过以下命令实现：

• MULTI：标记事务的开始。
• EXEC：执行事务中的所有命令。
• DISCARD：取消事务，清空事务队列。
• WATCH：监视一个或多个键，如果这些键在事务执行前被修改，事务将被中断。

事务的前提

在有并发连接的情况下，不同连接异步执行命令可能会导致不可预期的冲突。Redis 是单线程的，但在事务执行期间，如果不加以控制，仍可能出现数据不一致的问题。比如：我们希望顺序执行命令1、2、3。但是如果Redis是请求回应模型，若在命令1和命令2之间的空档期，命令3插入执行，那么最后的结果就会出错。

事务特征（ACID 分析）

ACID（原子性、一致性、隔离性和持久性）是关系型数据库管理系统确保事务正确执行的四个基本特性。以下分析Redis事务在ACID方面的支持情况：

1. 原子性（Atomicity）：

   • 部分支持：Redis中的单个命令是原子性的。然而，Redis事务（通过 MULTI 和 EXEC 实现）不支持回滚机制。如果在事务中执行多个命令，其中一个命令失败，之前的命令依然会执行，无法回滚。

   • 示例：

     MULTI
     SET key1 value1
     INCR key2
     EXEC
     

     如果 INCR key2 对应的键类型不是整数，INCR 命令会失败，但 SET key1 value1 已经执行，无法回滚。

2. 一致性（Consistency）：

   • 部分支持：Redis引擎本身不提供严格的一致性保证。例如，在主从复制模式下，当主节点出现故障时，从节点可能无法立即更新，导致数据的部分丢失。
   • 类型一致性：

     • 示例：

       SET count 1000
       TYPE count  // 返回 string
       LPUSH count 2000  // 返回 (error) WRONGTYPE Operation against a key holding the wrong kind of value
       

3. 隔离性（Isolation）：

   • 支持：Redis使用单线程模型，一个客户端的命令在执行期间不会被其他客户端的命令中断，因此天然具备隔离性。
   • 注意：在多线程环境下，临界资源仍需要加锁来确保数据一致性。

4. 持久性（Durability）：

   • 部分支持：Redis提供了RDB（快照）和AOF（Append-Only File）两种持久化机制。特别是在AOF持久化策略为 appendfsync=always 时，Redis能够确保事务提交后数据被永久保存。
   • 实际情况：在实际项目中，通常不会将AOF配置为 always，因为这会影响性能。

WATCH 命令

WATCH 命令用于监视一个或多个键，并在事务执行期间检测这些键是否被修改。如果被监视的键在事务执行前被修改，事务将被取消执行。这是一种乐观锁机制。

事务实现示例

示例 1：事务实现 zpop

假设需要从一个有序集合中弹出最高分的成员，并将其添加到另一个集合中，这是一个需要原子性操作的场景。

#include <hiredis/hiredis.h>
#include <iostream>
#include <string>int main() {// 连接到Redis服务器redisContext *c = redisConnect("127.0.0.1", 6379);if (c == nullptr || c->err) {if (c) {std::cerr << "Connection error: " << c->errstr << std::endl;redisFree(c);} else {std::cerr << "Can't allocate redis context" << std::endl;}return 1;}// 监视zsetredisReply *watch_reply = (redisReply*)redisCommand(c, "WATCH myzset");freeReplyObject(watch_reply);// 获取zset的最高分成员redisReply *reply = (redisReply*)redisCommand(c, "ZREVRANGE myzset 0 0 WITHSCORES");if (reply->elements == 0) {std::cout << "myzset is empty" << std::endl;freeReplyObject(reply);redisFree(c);return 0;}std::string member = reply->element[0]->str;double score = atof(reply->element[1]->str);freeReplyObject(reply);// 开始事务redisReply *multi_reply = (redisReply*)redisCommand(c, "MULTI");freeReplyObject(multi_reply);// 弹出成员redisAppendCommand(c, "ZREM myzset %s", member.c_str());// 添加到另一个集合redisAppendCommand(c, "ZADD anotherzset %f %s", score, member.c_str());// 执行事务redisReply *exec_reply;if (redisGetReply(c, (void**)&exec_reply) == REDIS_OK) {if (exec_reply->type == REDIS_REPLY_ARRAY) {std::cout << "Transaction executed successfully" << std::endl;} else {std::cout << "Transaction failed" << std::endl;}freeReplyObject(exec_reply);} else {std::cerr << "EXEC failed" << std::endl;}redisFree(c);return 0;
}

解释：

1. WATCH：监视 myzset，如果在事务执行前 myzset 被其他客户端修改，事务将被取消。
2. ZREVRANGE：获取 myzset 中分数最高的成员。
3. MULTI：开始事务。
4. ZREM & ZADD：在事务中移除成员并添加到另一个集合。
5. EXEC：执行事务。如果在事务执行前 myzset 被修改，EXEC 将返回 null，表示事务被中断。

示例 2：事务实现加倍操作

假设需要对某个键的值进行加倍操作，这需要确保读取和写入的原子性。

#include <hiredis/hiredis.h>
#include <iostream>
#include <string>int main() {// 连接到Redis服务器redisContext *c = redisConnect("127.0.0.1", 6379);if (c == nullptr || c->err) {if (c) {std::cerr << "Connection error: " << c->errstr << std::endl;redisFree(c);} else {std::cerr << "Can't allocate redis context" << std::endl;}return 1;}std::string key = "counter";while (true) {// 监视键redisReply *watch_reply = (redisReply*)redisCommand(c, "WATCH %s", key.c_str());freeReplyObject(watch_reply);// 获取当前值redisReply *reply = (redisReply*)redisCommand(c, "GET %s", key.c_str());if (reply->type == REDIS_REPLY_STRING) {int value = atoi(reply->str);freeReplyObject(reply);// 开始事务redisReply *multi_reply = (redisReply*)redisCommand(c, "MULTI");freeReplyObject(multi_reply);// 设置新值redisAppendCommand(c, "SET %s %d", key.c_str(), value * 2);// 执行事务redisReply *cmd_reply;if (redisGetReply(c, (void**)&cmd_reply) == REDIS_OK) {freeReplyObject(cmd_reply);redisReply *exec_reply;if (redisGetReply(c, (void**)&exec_reply) == REDIS_OK) {if (exec_reply->type == REDIS_REPLY_ARRAY) {std::cout << "Counter doubled to " << value * 2 << std::endl;freeReplyObject(exec_reply);break;} else {std::cout << "Transaction aborted" << std::endl;freeReplyObject(exec_reply);continue;}}}} else {freeReplyObject(reply);std::cerr << "Failed to get key" << std::endl;break;}}redisFree(c);return 0;
}

解释：

1. WATCH：监视 counter 键，确保在事务执行期间没有其他客户端修改该键。
2. GET：获取 counter 当前值。
3. MULTI：开始事务。
4. SET：在事务中设置新值为当前值的两倍。
5. EXEC：执行事务。如果 counter 在事务执行前被修改，EXEC 将返回 null，事务被取消，循环继续尝试。

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三、Lua 脚本

Lua 脚本的事务特性分析

Lua 脚本 是Redis提供的一种在服务器端执行复杂操作的机制。Lua脚本在Redis服务器上运行，能够将多个命令组合成一个原子性操作，减少网络往返次数。

ACID 特性分析：

1. 原子性（Atomicity）：

   • 部分满足：Lua脚本通过一个命令将所有脚本中的语句一起执行，但不具备回滚机制。如果脚本中某个命令执行失败，之前成功的命令依然会生效。

2. 一致性（Consistency）：

   • 部分不满足：Lua脚本本身不具备严格的一致性。如果脚本执行过程中发生错误，无法回滚已执行的命令，可能导致数据不一致。

3. 隔离性（Isolation）：

   • 满足：Redis使用单线程模型，Lua脚本作为单个数据包执行期间，其他命令或脚本不会被打断，确保隔离性。

4. 持久性（Durability）：

   • 部分不满足：只有在AOF持久化策略为 appendfsync=always 时，Lua脚本的修改才具备持久性。否则，可能会在系统故障时丢失。

基本命令

• EVAL：执行一个Lua脚本。

  EVAL script numkeys [key ...] [arg ...]
  

• EVALSHA：根据脚本的SHA1哈希值执行脚本。

  EVALSHA sha1 numkeys [key ...] [arg ...]
  

• SCRIPT LOAD：将Lua脚本加载到Redis并返回其SHA1哈希值。

  SCRIPT LOAD script
  

• SCRIPT EXISTS：检查脚本缓存中是否存在指定的SHA1哈希值的Lua脚本。

  SCRIPT EXISTS sha1 [sha1 ...]
  

• SCRIPT FLUSH：清除所有脚本缓存。

  SCRIPT FLUSH
  

• SCRIPT KILL：强制停止正在运行的脚本（如死循环）。

  SCRIPT KILL
  

应用示例

示例：执行加倍操作

测试使用：

SET jack 100
EVAL 'local key = KEYS[1]; local val = redis.call("GET", key); if val then redis.call("SET", key, 2 * val); return 2 * val; end; return 0;' 1 jack

输出：

(integer) 200

实际使用：

1. 加载脚本到Redis：

   SCRIPT LOAD 'local key = KEYS[1]; local val = redis.call("GET", key); if val then redis.call("SET", key, 2 * val); return 2 * val; end; return 0;'
   

   输出：

   "f76a2571acb0452ef1a0ba3b0bbd6c46a321cbe1"
   

2. 执行缓存的脚本：

   EVALSHA "f76a2571acb0452ef1a0ba3b0bbd6c46a321cbe1" 1 jack
   

   输出：

   (integer) 200
   

C++ 示例（使用 EVAL 和 EVALSHA）

以下示例展示了如何使用 hiredis 库在C++中加载并执行Lua脚本：

#include <hiredis/hiredis.h>
#include <iostream>
#include <string>int main() {// 连接到Redis服务器redisContext *c = redisConnect("127.0.0.1", 6379);if (c == nullptr || c->err) {if (c) {std::cerr << "Connection error: " << c->errstr << std::endl;redisFree(c);} else {std::cerr << "Can't allocate redis context" << std::endl;}return 1;}// Lua 脚本：key3 = key1 + key2const char *script = "local v1 = tonumber(redis.call('GET', KEYS[1])) " \"local v2 = tonumber(redis.call('GET', KEYS[2])) " \"local sum = v1 + v2 " \"redis.call('SET', KEYS[3], sum) " \"return sum";// 加载脚本到RedisredisReply *reply = (redisReply*)redisCommand(c, "SCRIPT LOAD %s", script);std::string sha = "";if (reply->type == REDIS_REPLY_STRING) {sha = reply->str;std::cout << "Script SHA1: " << sha << std::endl;}freeReplyObject(reply);// 设置初始值redisCommand(c, "SET key1 15");redisCommand(c, "SET key2 25");// 使用 EVALSHA 执行脚本std::string evalsha_cmd = "EVALSHA " + sha + " 3 key1 key2 key3";reply = (redisReply*)redisCommand(c, evalsha_cmd.c_str());if (reply->type == REDIS_REPLY_INTEGER || reply->type == REDIS_REPLY_STRING) {std::cout << "Sum via EVALSHA: " << (reply->type == REDIS_REPLY_INTEGER ? std::to_string(reply->integer) : reply->str) << std::endl;}freeReplyObject(reply);// 获取结果reply = redisCommand(c, "GET key3");if (reply->type == REDIS_REPLY_STRING) {std::cout << "key3 = " << reply->str << std::endl;}freeReplyObject(reply);redisFree(c);return 0;
}

输出示例：

Script SHA1: f76a2571acb0452ef1a0ba3b0bbd6c46a321cbe1
Sum via EVALSHA: 40
key3 = 40

解释：

1. SCRIPT LOAD：将Lua脚本加载到Redis，并获取其SHA1哈希值。
2. EVALSHA：使用脚本的SHA1哈希值执行脚本，实现 key3 = key1 + key2。
3. GET：获取执行结果 key3 的值。

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四、Redis 发布订阅（Pub/Sub）

主要命令

为了支持消息的多播机制，Redis的发布订阅（Pub/Sub）是一种消息传递模式，允许消息发布者将消息发送到特定频道，订阅者订阅这些频道以接收消息。消息不一定可达；分布式消息队列；stream的方式确保一定可达；主要命令包括：

• PUBLISH：发布消息到指定频道。

  PUBLISH channel message
  

• SUBSCRIBE：订阅一个或多个频道。

  SUBSCRIBE channel [channel ...]
  

• UNSUBSCRIBE：取消订阅频道。

  UNSUBSCRIBE channel [channel ...]
  

• PSUBSCRIBE：按模式订阅一个或多个频道。

  PSUBSCRIBE pattern [pattern ...]
  

• PUNSUBSCRIBE：取消按模式订阅的频道。

  PUNSUBSCRIBE pattern [pattern ...]
  

示例命令：

# 订阅频道
SUBSCRIBE news.game news.tech news.school# 订阅模式频道
PSUBSCRIBE news.*# 发布消息
PUBLISH news.game 'EDG wins S12 championship'# 取消订阅频道
UNSUBSCRIBE news.game# 取消订阅模式频道
PUNSUBSCRIBE news.*

客户端接收消息示例：

当订阅者订阅了 news.game、news.tech 和 news.school 频道后，发布者发布消息到 news.game 频道，所有订阅该频道的客户端都会收到消息。

message news.game EDG wins S12 championship

应用场景

发布订阅功能通常需要重新开启一个连接，因为订阅连接会进入阻塞模式接收消息，无法继续执行其他命令。因此，实际项目中支持Pub/Sub时，通常需要另开一条连接用于处理发布订阅。

常见应用场景：

• 实时聊天系统：用户通过频道发送和接收消息。
• 实时通知：系统事件通过频道通知相关服务。
• 分布式系统的消息传递：不同服务之间的通信。

C++ 示例（使用 hiredis 库）

发布者和订阅者通常需要在不同的连接上进行操作，因为订阅连接会进入阻塞模式接收消息。

发布者示例

#include <hiredis/hiredis.h>
#include <iostream>
#include <thread>
#include <chrono>int main() {// 连接到Redis服务器redisContext *c = redisConnect("127.0.0.1", 6379);if (c == nullptr || c->err) {if (c) {std::cerr << "Connection error: " << c->errstr << std::endl;redisFree(c);} else {std::cerr << "Can't allocate redis context" << std::endl;}return 1;}// 发布消息for (int i = 1; i <= 5; ++i) {std::string message = "Hello " + std::to_string(i);redisReply *reply = (redisReply*)redisCommand(c, "PUBLISH mychannel %s", message.c_str());if (reply->type == REDIS_REPLY_INTEGER) {std::cout << "Published message to " << reply->integer << " subscribers." << std::endl;}freeReplyObject(reply);std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));}redisFree(c);return 0;
}

输出示例：

Published message to 1 subscribers.
Published message to 1 subscribers.
Published message to 1 subscribers.
Published message to 1 subscribers.
Published message to 1 subscribers.

订阅者示例

#include <hiredis/hiredis.h>
#include <iostream>
#include <thread>int main() {// 连接到Redis服务器redisContext *c = redisConnect("127.0.0.1", 6379);if (c == nullptr || c->err) {if (c) {std::cerr << "Connection error: " << c->errstr << std::endl;redisFree(c);} else {std::cerr << "Can't allocate redis context" << std::endl;}return 1;}// 订阅频道redisReply *reply = (redisReply*)redisCommand(c, "SUBSCRIBE mychannel");freeReplyObject(reply);// 持续接收消息while (redisGetReply(c, (void**)&reply) == REDIS_OK) {if (reply->type == REDIS_REPLY_ARRAY && reply->elements == 3) {std::cout << "Received message from " << reply->element[1]->str << ": " << reply->element[2]->str << std::endl;}freeReplyObject(reply);}redisFree(c);return 0;
}

输出示例：

Received message from mychannel: Hello 1
Received message from mychannel: Hello 2
Received message from mychannel: Hello 3
Received message from mychannel: Hello 4
Received message from mychannel: Hello 5

注意：订阅者和发布者通常需要在不同的进程或线程中运行，因为订阅者连接会进入阻塞状态，无法执行其他命令。

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5. Redis 异步方式

移步：Redis异步实现解析

六、Redis 的缺点

尽管Redis在许多场景下表现出色，但也存在一些缺点和限制：

1. 内存限制：

   • 描述：Redis是内存数据库，所有数据存储在内存中。对于大数据量应用，内存成本较高。
   • 影响：高内存消耗限制了Redis在大规模数据存储上的应用。
   • 解决方案：通过分片（Sharding）和使用更高效的数据结构来优化内存使用。

2. 单线程模型：

   • 描述：Redis的大部分命令是单线程执行的，虽然通过IO多路复用实现高性能，但在多核CPU上无法充分利用多线程优势。
   • 影响：在CPU密集型操作或需要高并发处理时，性能可能受限。
   • 解决方案：通过集群部署，分散负载到多个Redis实例。

3. 数据持久化风险：

   • 描述：虽然Redis支持RDB和AOF持久化，但在极端情况下可能会丢失部分数据。
   • 影响：数据的可靠性和持久性在某些应用场景下可能无法满足要求。
   • 解决方案：合理配置持久化策略，结合主从复制和高可用架构，增强数据安全性。

4. 缺乏复杂查询能力：

   • 描述：Redis主要支持键值操作，不适合需要复杂查询和关联的应用场景。
   • 影响：对于需要复杂数据关系和查询的应用，Redis无法直接满足需求。
   • 解决方案：结合其他数据库（如SQL数据库）使用，Redis用于缓存和快速访问。

5. 有限的事务支持：

   • 描述：Redis的事务不支持回滚机制，无法像传统数据库那样处理复杂的事务逻辑。
   • 影响：在需要严格事务控制的场景下，Redis无法提供足够的支持。
   • 解决方案：使用Lua脚本实现复杂的原子操作，或结合其他数据库的事务功能。

6. 数据结构局限：

   • 描述：尽管Redis支持多种数据结构，但在某些特定场景下可能不如专用数据库高效。
   • 影响：对于特定类型的数据处理（如图数据），需要额外的实现工作。
   • 解决方案：使用专用的数据库（如图数据库）来处理特定类型的数据。

7. 安全性：

   • 描述：Redis的默认配置安全性较低，需额外配置才能满足生产环境的安全要求。
   • 影响：未经配置的Redis实例可能容易受到未经授权的访问和攻击。
   • 解决方案：配置密码认证、限制网络访问、启用TLS等安全措施。

8. 缺乏多版本并发控制（MVCC）：

   • 描述：Redis不支持复杂的并发控制机制，可能导致竞争条件和数据一致性问题。
   • 影响：在高并发环境下，可能会出现数据冲突和不一致。
   • 解决方案：使用 WATCH、Lua脚本等机制实现乐观锁，或通过应用层控制并发。

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七、总结

Redis 是一个高性能的内存数据库，适用于多种场景，如缓存、实时数据处理、消息队列等。通过深入了解其Pipeline（管道）、事务、Lua 脚本、发布订阅（Pub/Sub）和异步连接等功能，开发者可以充分利用Redis的优势来优化应用性能。

Redis 的优势

• 高性能：基于内存，支持快速的数据读写。
• 丰富的数据结构：支持字符串、哈希、列表、集合、有序集合等多种数据类型。
• 多样的功能：支持事务、发布订阅、Lua脚本、持久化等功能。
• 简单易用：Redis命令直观，易于学习和使用。

Redis 的局限性

• 内存消耗高：对于大规模数据存储，内存成本较高。
• 事务支持有限：缺乏回滚机制，事务控制不如关系型数据库完善。
• 安全性需额外配置：默认配置不够安全，需手动加强安全措施。
• 单线程模型：在某些高并发或CPU密集型场景下，性能可能受限。

应用建议

在选择使用Redis时，需综合考虑应用需求和Redis的特性：

• 适合场景：

  • 高频访问的数据缓存。
  • 实时数据分析和处理。
  • 实现分布式锁和消息队列。
  • 会话存储和排行榜系统。

• 不适合场景：

  • 需要复杂事务控制的应用。
  • 大规模数据存储，超过内存容量。
  • 需要复杂查询和数据关联的应用。

通过合理设计架构，结合Redis的优势和其他数据库的功能，可以构建高性能、可靠的应用系统。

参考

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