基本介紹

功能特性

• NoSQL 資料庫
• 記憶體式存儲 (In-memory)
• 以鍵值對 (Key-Value) 形式存儲資料
• 支援多種資料結構，如列表 (List)、集合 (Set)、雜湊 (Hash) 等
• 高性能，適合需要快速讀寫的場景

使用場景

• 快取 (Cache)
  儲存常用資料，減少長時間的 IO 操作，提升回應速度
• 共享會話 (Shared Session)
  在無狀態 (stateless) 的伺服器間共享會話資料
• 分散式鎖 (Distributed Lock)
  用於多個程序共享資源時，透過 SETNX (set if not exists) 實現原子性鎖定
• 速率限制 (Rate Limiter)
  利用計數器 (increment) 和過期時間 (expiration) 實現請求限制

基本操作

啟動與連線

• redis-server
  啟動 Redis 服務，預設埠為 6379
• redis-cli
  進入 Redis 命令列介面

資料存取

• SET <key> <value>
  設定鍵值對，預設值為字串類型
• GET <key>
  獲取指定鍵的值
• DEL <key>
  刪除指定鍵
• EXISTS <key>
  檢查鍵是否存在
• KEYS <pattern>
  查找符合模式的鍵，例如 KEYS * 可列出所有鍵
• FLUSHALL
  清空所有資料

過期機制

• TTL <key>
  查看鍵的剩餘存活時間，單位為秒
  • “-1” 表示永不過期
  • “-2” 表示已過期
• EXPIRE <key> <second>
  設定鍵的過期時間
• SETEX <key> <seconds> <value>
  設定鍵值對並同時指定過期時間

支援的資料結構

• 列表 (List)
  • LPUSH/RPUSH <key> <value>
    從左/右端推入值
  • LRANGE <key> <start index> <end index>
    獲取指定範圍的值，end index 可為 -1 表示到最後
  • LPOP/RPOP <key>
    從左/右端彈出值
• 集合 (Set)
  • SADD <key> <value>
    加入值到集合
  • SMEMBERS <key>
    列出集合所有成員
  • SREM <key> <value>
    移除集合中的值
• 雜湊 (Hash)
  • HSET <key> <field> <value>
    設定雜湊欄位的值
  • HGET <key> <field>
    獲取指定欄位的值
  • HGETALL <key>
    獲取雜湊所有欄位與值
  • HDEL <key> <field>
    刪除指定欄位
  • HEXISTS <key> <field>
    檢查欄位是否存在
  • 注意：Redis 不支援巢狀雜湊結構

快取機制

常見快取策略

• Cache Aside
  先查詢快取，若無資料則查詢資料庫，並將結果存入快取
• Read Through
  用戶端僅存取快取，若快取無資料，由快取負責從資料庫取回
• Write Through
  寫入資料時，快取保留一份並同步寫入資料庫
• Write Behind
  與 Write Through 類似，但不會立即寫入資料庫，而是累積資料後批量寫入

快取情境問題與解法

• 快取雪崩 (Cache Avalanche)
  大量快取同時失效，導致資料庫瞬間承受高流量
  • 解法
    為快取加上隨機過期時間，避免集中失效
• 快取擊穿 (Hotspot Invalid)
  熱點快取失效，大量請求直接衝擊資料庫
  • 解法
    設定熱點資料永不過期，或在查詢資料庫時加鎖控制流量
• 快取穿透 (Cache Penetration)
  用戶請求不存在的資料，快取與資料庫皆無結果，直接衝擊資料庫
  • 解法
    在應用層過濾非法請求，或使用布隆過濾器 (Bloom Filter) 預先檢查

記憶體管理

過期鍵刪除策略

• 定期刪除
  每隔固定時間隨機抽樣檢查部分鍵，若過期則刪除
• 惰性刪除
  訪問鍵時檢查是否過期，若過期則立即刪除

記憶體淘汰策略 (maxmemory-policy, Eviction)

當記憶體使用達到上限時，根據設定的策略處理資料

• noeviction
  不淘汰任何鍵，記憶體滿時拒絕新寫入
• allkeys-lru
  對所有鍵使用最近最少使用 (LRU) 算法淘汰
• allkeys-lfu
  對所有鍵使用最不常用 (LFU) 算法淘汰
• volatile-lru
  僅對設有過期時間的鍵使用 LRU 淘汰
• volatile-lfu
  僅對設有過期時間的鍵使用 LFU 淘汰
• allkeys-random
  從所有鍵中隨機淘汰
• volatile-random
  從設有過期時間的鍵中隨機淘汰
• volatile-ttl
  優先淘汰剩餘存活時間 (TTL) 較短的鍵

持久化

RDB (Redis Database)

• 以固定時間間隔對記憶體中的資料進行快照 (memory dump)
• 優點：恢復速度快，適合大規模資料備份
• 缺點：若伺服器故障，可能丟失最後一次快照後的資料
• 相關命令
  • SAVE
    同步生成快照，會阻塞主進程
  • BGSAVE
    異步生成快照，不影響主進程

AOF (Append Only File)

• 記錄每一次寫入操作的流程，類似操作日誌
• 優點：資料一致性高，丟失風險低
• 缺點：檔案較大，恢復速度比 RDB 慢
• AOF 重寫 (Rewrite)
  當 AOF 檔案過大時，Redis 會生成新檔案，
  用最少的操作重建當前資料狀態，取代舊檔案

混合模式

• 結合 RDB 和 AOF 優勢
• 在 AOF 重寫時，前段使用 RDB 格式快照，後段附加 AOF 操作日誌
• 兼顧恢復速度與資料完整性

高可用性 (High Availability)

主從同步

• 一主多從架構，主節點負責寫入，從節點分擔讀取壓力
• 從節點會即時同步主節點的資料
• 提升讀取效能，但主節點故障需手動切換

哨兵模式 (Sentinel)

• 部署哨兵進程監控主從伺服器的運行狀態
• 哨兵持續 Ping 伺服器，檢測異常
• 若為哨兵叢集：
  • 單一哨兵檢測異常時，標記伺服器為主觀下線
  • 多數哨兵同意後，判定為客觀下線，觸發故障轉移 (failover)
  • 自動選出新主節點，確保服務可用

叢集模式 (Cluster)

• 將資料分片儲存，分散寫入壓力
• Redis 預設提供 16384 個槽 (slot)，透過雜湊函數分配鍵到不同槽
• 節點間使用預設埠 16379 進行通訊
• 可結合主從同步實現高可用性
• 適用於大規模資料與高併發場景