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内容概要:本文深入探讨了 Redis 的高级应用与性能优化,涵盖高级数据结构、分布式场景中的应用以及性能优化策略。高级数据结构包括位图(Bitmap)、超日志(HyperLogLog)、地理位置(Geospatial)和流(Stream),分别适用于高效存储、基数统计、地理信息处理和实时数据流处理等场景。分布式场景中介绍了 Redis 的分布式锁、限流和防刷、分布式任务队列的实现方法。性能优化部分讨论了使用分布式架构(主从复制、哨兵模式、集群模式)、内存优化(合理选择数据结构、启用压缩功能)和慢查询分析。此外,还针对常见问题如数据过期策略、热点数据问题和数据丢失问题提供了解决方案。最后展望了 Redis 的未来发展趋势,包括分布式能力和内存管理的进一步优化。 适用人群:具备一定编程基础,特别是对 Redis 有一定了解的研发人员和技术爱好者。 使用场景及目标:①深入理解 Redis 的高级数据结构及其应用场景,如位图用于签到记录、HyperLogLog 用于 UV 统计等;②掌握分布式场景下的 Redis 应用,如实现分布式锁、限流和防刷、分布式任务队列;③学会通过分布式架构、内存优化和慢查询分析等手段提升 Redis 性能;④解决常见问题,如数据过期、热点数据处理和数据丢失防范。 其他说明:本文不仅提供了理论知识,还附有大量实际代码示例,帮助读者更好地理解和实践 Redis 的高级应用与性能优化技术。读者可以根据自身需求选择感兴趣的部分进行深入学习和实践。
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Redis 深度探索:解锁高级应用与性能优化
一、Redis 高级数据结构探秘
Redis 作为一款高性能的内存数据库,不仅支持常见的字符串(String)、哈希(Hash)、列
表(List)、集合(Set)和有序集合(Sorted Set)数据结构,还提供了一些高级数据结构,
这些高级数据结构为解决复杂的业务问题提供了更高效、更灵活的方案。
1.1 位图(Bitmap)
位图并不是一种真正的数据类型,而是定义在字符串类型上的面向位的操作集合 。Redis 使
用字符串对象来表示位数组,因为字符串对象使用的 SDS(简单动态字符串)数据结构是二
进制安全的,程序可以直接使用 SDS 结构来保存位数组,并使用 SDS 结构的操作函数来处
理位数组。它的最大优点之一是在存储信息时通常可以节省大量空间,由于字符串类型的最大
长度是 512MB,这意味着位图适合于设置 2^32 个不同的位。
位图的操作分为两组:一是常量时间单个位的操作,如设置一个位为 1 或者 0,或者获取该位
的值;二是对一组位的操作,例如计算指定范围位的置位数量。常用命令如下:
1. SETBIT key offset value:设置或者清空 key 的 value (字符串) 在 offset 处的 bit 值
(只能是 0 或者 1) ,offset 为负数或者浮点数时,执行报错。例如 SETBIT
sign:20240101 0 1 表示设置 sign:20240101 这个 key 对应值的第 0 位为 1。
2. GETBIT key offset:获取 key 的 value (字符串) 在 offset 处的 bit 值 。如 GETBIT
sign:20240101 0 可获取上述设置的第 0 位的值。
3. BITCOUNT key [start end]:获取 key 的 value (字符串) 所有比特位设置为 1 的总个
数 ,start 和 end 参数指的是字节的索引,不是位的索引。比如 BITCOUNT
sign:20240101 统计整个字符串中为 1 的位个数,BITCOUNT sign:20240101 0 0 则
是计算第一个字节中为 1 的位数。
4. BITPOS key bit [start] [end]:返回字符串里面第一个被设置为 1 或者 0 的 bit 位,
start 和 end 参数同样指的是字节的索引 。例如 BITPOS sign:20240101 1 查找第一个
为 1 的位。
位图在实际应用中有诸多场景,比如记录用户一年的签到情况。一年 365 天的签到情况只有
签到了或者没签到两种情况,非常适合用位图的 0 和 1 来表示。一年只需要 365 位就足够记
录一个用户的签到情况,365 位只需要 46 个字节(一个字节有 8 位)就可以完全容纳下,大
大节约了存储空间 。可以设置功能上线当天比如 2020-1-1 为索引 0,后面签到的时候日期做
一个差值就可以算出来位数。查询某个时间段的签到情况时,由于 redis 中并没有批量查询位

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图的命令,只有单个查询 getbit ,所以只能一个个执行,为了减少网络开销,可以通过管道
或者写 lua 脚本 来批量查询。统计用户的签到总天数可以使用 BITCOUNT uidkey 0 0。
1.2 超日志(HyperLogLog)
HyperLogLog 是一种用于基数统计的算法,基数指的是一个集合中不重复元素的数量 。在面
对数亿级别的数据时,传统的去重统计方法不仅计算量大,而且消耗大量的存储空间,
HyperLogLog 则以一种非常节省空间的方式解决了这个问题。它是一种概率型数据结构,通
过统计学方法对数据进行采样和估算,以极低的内存消耗(通常只需要几千个字节)实现对大
规模数据集中唯一元素的近似计数 。其核心思想是利用哈希函数的特性,将输入数据映射到
位向量中,并观察哈希值中连续零的最长序列长度,以此来估计数据集中不同元素的数量。虽
然它的计算结果是一个估计值,但准确率非常高,通常误差率仅为 0.81%。
Redis 提供了三个主要的命令来操作 HyperLogLog 数据结构:
1. PFADD key element [element …]:将一个或多个元素添加到 HyperLogLog 中,如
果 HyperLogLog 不存在,则会创建一个新的 HyperLogLog。例如 PFADD
uv:20240101 user1 user2 user3,向 uv:20240101 这个 HyperLogLog 结构中添加三
个用户。
2. PFCOUNT key [key …]:返回一个或多个 HyperLogLog 的估算基数,如果指定了多
个 HyperLogLog,Redis 会计算这些 HyperLogLog 的并集的基数估算值。如
PFCOUNT uv:20240101 获取当天的独立访客数。
3. PFMERGE destkey sourcekey [sourcekey …]:将一个或多个 HyperLogLog 合并
到另一个 HyperLogLog 中,合并后的 HyperLogLog 包含了所有源 HyperLogLog 中的
元素,但只占用一个 HyperLogLog 的内存空间。比如 PFMERGE uv:20240101-02
uv:20240101 uv:20240102,将两天的独立访客统计结果合并。
在实际应用中,HyperLogLog 常用于网站 UV 统计。传统做法是使用 set 保存用户的 ID,然
后统计 set 中元素的数量作为判断标准,但这种方式保存了大量的用户 ID,占用空间且麻
烦,而 HyperLogLog 占用内存小且固定,存储 2^64 个不同元素的基数,只需要 12KB 的空
间 ,非常适合此类场景。
1.3 Geospatial(地理位置)
Redis 的 Geospatial 是 Redis 3.2 版本引入的用于处理地理空间信息的数据结构,它允许将经
纬度坐标存储到 Redis 数据库中,并支持按距离查询、计算两点间距离等多种地理空间操
作 。底层实现上,Redis GEO 使用了地理空间索引算法(Geohash),将二维的经纬度转换
为一维的字符串,并通过 Redis 的有序集合 (Sorted Set) 来存储,这使得地理位置的存取和
计算变得非常高效 。
主要命令如下:

3
1. GEOADD key longitude latitude member [longitude latitude member ...]:将指定
的地理空间位置(经度、纬度、名称)添加到指定的 key 中,可以一次添加多个位
置 。例如 GEOADD cities 116.40 39.90 beijing 121.47 31.23 shanghai,向 cities 这
个集合中添加北京和上海的地理位置信息。
2. GEODIST key member1 member2 [unit]:返回两个给定位置之间的距离,unit 参数
指定返回值的单位,可以是 m(米,默认单位)、km(千米)、mi(英里)或 ft(英
尺) 。如 GEODIST cities beijing shanghai km 计算北京和上海之间的距离,单位为
千米。
3. GEOHASH key member [member ...]:获取一个或多个位置元素的 Geohash 表示,
Geohash 是一种将经纬度编码为字符串的方法 。例如 GEOHASH cities beijing 获取
北京位置的 Geohash 值。
4. GEOPOS key member [member ...]:返回指定名称位置的经纬度坐标 。如
GEOPOS cities beijing 获取北京的经纬度。
5. GEORADIUS key longitude latitude radius unit [WITHCOORD] [WITHDIST]
[WITHHASH] [COUNT count] [ASC|DESC] [STORE key] [STOREDIST key]:以给
定的经纬度为中心,返回键中包含的位置元素当中,与中心的距离不超过给定半径的
所有位置元素 。例如 GEORADIUS cities 116.40 39.90 100 km WITHDIST 查找距离
北京 100 千米内的城市,并返回距离信息。
Geospatial 的应用场景广泛,比如在社交应用中实现 “附近的人” 功能,使用 GEOADD 命令
将用户 ID 及其经纬度信息存储在 Redis 中,当需要查询 “附近的人” 时,使用 GEORADIUS
命令,以查询用户的位置为中心,指定半径范围进行搜索 。在物流配送中,可以计算配送点
与用户之间的距离,规划最优配送路线。
1.4 Stream(流)
Stream 是 Redis 5.0 引入的一种新的数据类型,用于处理实时的、可持久化的、基于时间序
列的数据流,它可以看作是一个动态增长的列表,用于存储按时间顺序排列的消息,非常适合
用来实现异步通信、日志记录、实时监控等多种应用场景 。
主要命令如下:
1. XADD key [ID or *] field1 value1 [field2 value2 ...]:用于将消息添加到 Stream
中,如果 Stream 不存在,Redis 会自动创建一个新的 Stream ,*表示让 Redis 自动
生成一个消息 ID。例如 XADD order_stream * order_id 1234 user_id 5678 amount
100,向 order_stream 中添加一条订单消息。
2. XRANGE key start end [COUNT count]:用于获取 Stream 中的一系列消息,start
和 end 分别表示起始 ID 和结束 ID,-表示最小 ID,+表示最大 ID,COUNT count 可
选,表示返回的最大消息数量 。如 XRANGE order_stream - +获取所有消息。

4
3. XREAD [COUNT count] [BLOCK milliseconds] STREAMS key [key ...] ID
[ID ...]:用于从一个或多个 Stream 中读取消息,COUNT count 限制返回的条目数,
BLOCK milliseconds 用于阻塞读取,在没有新条目可读时阻塞指定的毫秒数 。例如
XREAD COUNT 2 STREAMS order_stream 0 从 order_stream 中读取 2 条消息,从
ID 为 0 的消息之后开始读取。
4. XREADGROUP GROUP group consumer [COUNT count] [BLOCK milliseconds]
[NOACK] STREAMS key [key ...] id [id ...]:从消费者组的角度读取消息,group 为
消费组名,consumer 为消费者名 。比如 XREADGROUP GROUP order_group
consumer1 COUNT 1 STREAMS order_stream >,order_group 消费组中的
consumer1 消费者读取一条未被消费的消息。
5. XACK key groupname consumername messageid:用于确认消息已被某个
Consumer 处理完毕 。如 XACK order_stream order_group consumer1
1526569495631-0 确认消息已处理。
6. **XGROUP CREATE key groupname id-or- [MKSTREAM]**:用于创建消费组,`id-
or-中`表示从 Stream 的最新消息开始消费,`MKSTREAM`用于标记 Stream 已经存
在 。例如`XGROUP CREATE order_stream order_group MKSTREAM` 创建消费
组。
在消息队列场景中,Redis Stream 可以作为生产者 - 消费者模式的基础。以订单系统为例,
订单服务作为生产者,在订单完成后将订单信息写入 Redis Stream 。会员服务作为消费者,
从 Redis Stream 中读取消息,并处理用户积分的增加。与 Kafka 相比,Redis Stream 的优
势在于其高性能,因为它是内存中的数据结构,读写速度非常快,尤其适用于需要低延迟的实
时应用 。并且其 API 设计简洁明了,易于理解和使用,支持多种客户端语言,便于集成到现
有的应用程序中 。不过,Redis Stream 也有一些局限性,例如随着消息数量的增长,可能会
导致较高的内存使用,需要合理设置 Stream 的过期策略或最大长度限制,以防止内存过度消
耗 。在处理大量并发写操作时,由于 Redis 是单线程执行命令,可能会成为瓶颈 。
二、分布式场景中的 Redis 应用
2.1 分布式锁的实现
在分布式系统中,多个节点可能同时访问共享资源,为了确保数据的一致性和完整性,需要使
用分布式锁来协调对共享资源的访问 。Redis 分布式锁正是一种常用的解决方案,它利用
Redis 的高性能和原子性操作来实现分布式锁的功能。
其核心原理是利用 Redis 的 SETNX(SET if Not eXists)命令。SETNX 命令用于在 Redis 中
设置一个键,如果键不存在则设置成功并返回 1,否则返回 0 。当一个客户端尝试获取锁时,
它使用 SETNX 命令尝试设置一个带有唯一标识(如 UUID)和过期时间的键。如果 SETNX
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