Redis数据库入门教程

Redis（Remote Dictionary Server）是一个开源的、基于内存的高性能键值存储系统，它可以用作数据库、缓存和消息中间件。本教程将带你从零开始全面学习Redis，涵盖基础概念、安装配置、数据结构、持久化机制以及与Python的交互等内容。

一、NoSQL与Redis简介

1.1 NoSQL概述

NoSQL（Not Only SQL）是一类非关系型数据库的总称，与传统的关系型数据库（如MySQL）相比，具有以下特点：

  • 数据结构灵活：不遵循固定的表结构，支持键值对、文档、列存储、图等多种数据模型

  • 高扩展性：通常设计为分布式架构，易于水平扩展

  • 高性能：针对特定场景优化，读写速度远超传统数据库

  • 高可用性：支持自动分区和复制

常见NoSQL数据库类型：

  • 键值存储：Redis、Memcached

  • 文档数据库：MongoDB、CouchDB

  • 列存储数据库：HBase、Cassandra

  • 图数据库：Neo4j

1.2 Redis简介

Redis是一个开源的高性能键值数据库，由Salvatore Sanfilippo开发，具有以下特点：

  • 内存存储：数据主要存储在内存中，读写性能极高（读11万次/秒，写8.1万次/秒）

  • 持久化支持：可以将内存数据保存到磁盘，重启后重新加载

  • 丰富的数据类型：支持字符串、哈希、列表、集合、有序集合等

  • 原子操作：所有操作都是原子性的，支持事务

  • 发布订阅：支持消息的发布/订阅模式

  • 主从复制：支持数据的主从同步

Redis典型应用场景：

  • 缓存系统（减轻数据库压力）

  • 计数器（如网站访问量）

  • 消息队列系统

  • 实时排行榜

  • 社交网络（如粉丝关系）

  • 会话缓存（替代Session存储）

二、Redis安装与配置

2.1 Linux系统安装Redis

方法一：使用包管理器安装（Ubuntu/Debian）
sudo apt-get update
sudo apt-get install redis-server
方法二：源码编译安装
# 下载Redis源码
wget http://download.redis.io/releases/redis-6.2.4.tar.gz# 解压
tar -zxvf redis-6.2.4.tar.gz# 编译安装
cd redis-6.2.4
make
sudo make install

2.2 Redis基本配置

Redis的配置文件通常位于/etc/redis/redis.conf，主要配置项包括：

# 绑定IP地址（如需远程访问可注释掉或设为0.0.0.0）
bind 127.0.0.1# 监听端口
port 6379# 是否以守护进程运行
daemonize yes# 数据文件名称
dbfilename dump.rdb# 数据文件存储路径
dir /var/lib/redis# 日志文件路径
logfile /var/log/redis/redis-server.log# 数据库数量
databases 16# 设置密码
requirepass yourpassword

2.3 Redis服务管理

# 启动Redis服务
sudo service redis start# 停止Redis服务
sudo service redis stop# 重启Redis服务
sudo service redis restart# 查看Redis状态
sudo service redis status# 使用配置文件启动
redis-server /path/to/redis.conf

2.4 Redis客户端连接

# 连接本地Redis
redis-cli# 连接远程Redis（带密码）
redis-cli -h host -p port -a password# 测试连接
127.0.0.1:6379> ping
PONG# 切换数据库（0-15）
127.0.0.1:6379> select 1
OK

三、Redis数据结构与操作

Redis支持五种主要数据结构：字符串(String)、哈希(Hash)、列表(List)、集合(Set)和有序集合(Sorted Set)。

3.1 字符串(String)

字符串是Redis最基本的数据类型，可以存储文本、数字或二进制数据（最大512MB）。

常用命令：

# 设置键值
SET key value# 获取键值
GET key# 设置键值及过期时间（秒）
SETEX key seconds value# 设置多个键值
MSET key1 value1 key2 value2# 获取多个键值
MGET key1 key2# 值追加
APPEND key value# 值递增
INCR key
INCRBY key increment# 值递减
DECR key
DECRBY key decrement# 获取字符串长度
STRLEN key

示例：

127.0.0.1:6379> SET name "Redis"
OK
127.0.0.1:6379> GET name
"Redis"
127.0.0.1:6379> SETEX session_id 3600 "abc123"
OK
127.0.0.1:6379> MSET age 30 city "New York"
OK
127.0.0.1:6379> MGET name age city
1) "Redis"
2) "30"
3) "New York"
127.0.0.1:6379> INCR age
(integer) 31

3.2 哈希(Hash)

哈希适合存储对象，可以将多个字段-值对存储在一个键中。

常用命令：

# 设置单个字段
HSET key field value# 设置多个字段
HMSET key field1 value1 field2 value2# 获取单个字段值
HGET key field# 获取多个字段值
HMGET key field1 field2# 获取所有字段和值
HGETALL key# 获取所有字段名
HKEYS key# 获取所有字段值
HVALS key# 删除字段
HDEL key field1 field2# 判断字段是否存在
HEXISTS key field# 获取字段数量
HLEN key

示例：

127.0.0.1:6379> HSET user:1000 name "John" age 30
(integer) 2
127.0.0.1:6379> HGET user:1000 name
"John"
127.0.0.1:6379> HGETALL user:1000
1) "name"
2) "John"
3) "age"
4) "30"
127.0.0.1:6379> HINCRBY user:1000 age 1
(integer) 31

3.3 列表(List)

列表是简单的字符串列表，按照插入顺序排序，可以在头部或尾部添加元素。

常用命令：

# 从左侧插入元素
LPUSH key value1 value2# 从右侧插入元素
RPUSH key value1 value2# 从左侧弹出元素
LPOP key# 从右侧弹出元素
RPOP key# 获取列表片段
LRANGE key start stop# 获取列表长度
LLEN key# 根据索引获取元素
LINDEX key index# 在指定元素前后插入新元素
LINSERT key BEFORE|AFTER pivot value# 根据值移除元素
LREM key count value# 设置指定索引处的元素值
LSET key index value# 保留指定范围内的元素
LTRIM key start stop

示例：

127.0.0.1:6379> LPUSH fruits "apple" "banana" "orange"
(integer) 3
127.0.0.1:6379> LRANGE fruits 0 -1
1) "orange"
2) "banana"
3) "apple"
127.0.0.1:6379> RPUSH fruits "pear"
(integer) 4
127.0.0.1:6379> LRANGE fruits 0 -1
1) "orange"
2) "banana"
3) "apple"
4) "pear"
127.0.0.1:6379> LPOP fruits
"orange"

3.4 集合(Set)

集合是无序的字符串集合，元素唯一不重复，支持交集、并集、差集等操作。

常用命令：

# 添加元素
SADD key member1 member2# 获取所有元素
SMEMBERS key# 判断元素是否存在
SISMEMBER key member# 获取集合元素数量
SCARD key# 移除元素
SREM key member1 member2# 随机弹出元素
SPOP key [count]# 随机获取元素
SRANDMEMBER key [count]# 集合运算
SINTER key1 key2      # 交集
SUNION key1 key2      # 并集
SDIFF key1 key2       # 差集

示例：

127.0.0.1:6379> SADD tags "redis" "database" "nosql"
(integer) 3
127.0.0.1:6379> SMEMBERS tags
1) "nosql"
2) "database"
3) "redis"
127.0.0.1:6379> SADD tags2 "redis" "programming"
(integer) 2
127.0.0.1:6379> SINTER tags tags2
1) "redis"

3.5 有序集合(Sorted Set)

有序集合类似于集合，但每个元素都关联一个分数(score)，用于排序。

常用命令：

# 添加元素
ZADD key score1 member1 score2 member2# 获取元素分数
ZSCORE key member# 获取元素排名（升序）
ZRANK key member# 获取元素排名（降序）
ZREVRANK key member# 获取指定范围的元素
ZRANGE key start stop [WITHSCORES]
ZREVRANGE key start stop [WITHSCORES]# 获取分数范围内的元素
ZRANGEBYSCORE key min max [WITHSCORES]# 获取集合元素数量
ZCARD key# 获取分数范围内的元素数量
ZCOUNT key min max# 移除元素
ZREM key member1 member2# 增加元素分数
ZINCRBY key increment member

示例：

127.0.0.1:6379> ZADD leaderboard 100 "Alice" 200 "Bob" 150 "Charlie"
(integer) 3
127.0.0.1:6379> ZRANGE leaderboard 0 -1 WITHSCORES
1) "Alice"
2) "100"
3) "Charlie"
4) "150"
5) "Bob"
6) "200"
127.0.0.1:6379> ZINCRBY leaderboard 50 "Alice"
"150"

四、Redis高级特性

4.1 键(Key)操作

# 查找键（支持通配符）
KEYS pattern# 判断键是否存在
EXISTS key# 查看键类型
TYPE key# 删除键
DEL key1 key2# 设置过期时间（秒）
EXPIRE key seconds# 设置过期时间（毫秒）
PEXPIRE key milliseconds# 设置过期时间（UNIX时间戳）
EXPIREAT key timestamp# 移除过期时间
PERSIST key# 查看剩余生存时间（秒）
TTL key# 查看剩余生存时间（毫秒）
PTTL key# 随机返回一个键
RANDOMKEY# 重命名键
RENAME key newkey# 仅当新键不存在时重命名
RENAMENX key newkey

示例：

127.0.0.1:6379> SET test "value" EX 60
OK
127.0.0.1:6379> TTL test
(integer) 58
127.0.0.1:6379> KEYS t*
1) "test"
127.0.0.1:6379> DEL test
(integer) 1

4.2 事务

Redis事务可以一次执行多个命令，具有以下特点：

  • 批量操作按顺序执行

  • 执行过程中不会被其他命令打断

  • 不具备原子性（部分失败不会回滚）

基本命令：

# 开始事务
MULTI# 执行事务
EXEC# 取消事务
DISCARD# 监视键（乐观锁）
WATCH key# 取消所有键的监视
UNWATCH

示例：

127.0.0.1:6379> MULTI
OK
127.0.0.1:6379> SET name "Alice"
QUEUED
127.0.0.1:6379> INCR age
QUEUED
127.0.0.1:6379> EXEC
1) OK
2) (integer) 31

4.3 发布订阅

Redis发布订阅(pub/sub)实现了消息系统，发送者(publisher)发送消息到频道(channel)，订阅者(subscriber)接收消息。

基本命令：

# 订阅一个或多个频道
SUBSCRIBE channel1 channel2# 取消订阅
UNSUBSCRIBE [channel1 channel2]# 发布消息到频道
PUBLISH channel message# 按模式订阅
PSUBSCRIBE pattern*# 取消模式订阅
PUNSUBSCRIBE [pattern*]

示例：

# 终端1：订阅频道
127.0.0.1:6379> SUBSCRIBE news
Reading messages... (press Ctrl-C to quit)
1) "subscribe"
2) "news"
3) (integer) 1# 终端2：发布消息
127.0.0.1:6379> PUBLISH news "Hello Redis!"
(integer) 1# 终端1将收到：
1) "message"
2) "news"
3) "Hello Redis!"

4.4 数据持久化

Redis提供两种持久化方式：RDB和AOF。

RDB(Redis Database)

  • 定时生成内存快照

  • 性能高，文件紧凑

  • 可能丢失最后一次快照后的数据

配置：

save 900 1       # 900秒内有1个更改则保存
save 300 10      # 300秒内有10个更改则保存
save 60 10000    # 60秒内有10000个更改则保存dbfilename dump.rdb
dir /var/lib/redis
AOF(Append Only File)

  • 记录所有写操作命令

  • 数据安全性更高

  • 文件体积较大

配置：

appendonly yes
appendfilename "appendonly.aof"
appendfsync everysec  # 每秒同步
# appendfsync always  # 每次写操作同步
# appendfsync no      # 由操作系统决定同步时机

比较：

特性RDBAOF
持久化方式定时快照记录写操作命令
数据安全可能丢失数据最多丢失1秒数据
恢复速度快慢
文件体积小大
性能影响保存时影响性能持续写入影响较小

4.5 主从复制

Redis支持主从复制，主节点(master)负责写操作，从节点(slave)负责读操作。

配置主从复制：

  1. 主节点配置：

    bind 192.168.1.100
port 6379

  2. 从节点配置：

    bind 192.168.1.101
port 6379
slaveof 192.168.1.100 6379

验证主从状态：

redis-cli info replication

输出示例：

# 主节点
role:master
connected_slaves:1
slave0:ip=192.168.1.101,port=6379,state=online,offset=1099,lag=1# 从节点
role:slave
master_host:192.168.1.100
master_port:6379
master_link_status:up

五、Redis与Python交互

5.1 安装Redis Python客户端

pip install redis

5.2 基本操作示例

import redis# 创建连接
r = redis.Redis(host='localhost', port=6379, db=0, password='yourpassword')# 字符串操作
r.set('name', 'Alice')
print(r.get('name'))  # 输出: b'Alice'# 哈希操作
r.hset('user:1000', 'name', 'Bob')
r.hset('user:1000', 'age', 25)
print(r.hgetall('user:1000'))  # 输出: {b'name': b'Bob', b'age': b'25'}# 列表操作
r.lpush('tasks', 'task1', 'task2')
print(r.lrange('tasks', 0, -1))  # 输出: [b'task2', b'task1']# 集合操作
r.sadd('tags', 'python', 'redis', 'database')
print(r.smembers('tags'))  # 输出: {b'python', b'redis', b'database'}# 有序集合操作
r.zadd('leaderboard', {'Alice': 100, 'Bob': 200, 'Charlie': 150})
print(r.zrange('leaderboard', 0, -1, withscores=True))  
# 输出: [(b'Alice', 100.0), (b'Charlie', 150.0), (b'Bob', 200.0)]

5.3 使用连接池

import redis# 创建连接池
pool = redis.ConnectionPool(host='localhost', port=6379, db=0, password='yourpassword',max_connections=10
)# 从连接池获取连接
r = redis.Redis(connection_pool=pool)# 使用连接...
r.set('foo', 'bar')
print(r.get('foo'))

5.4 发布订阅示例

发布者：

import redisr = redis.Redis()
r.publish('channel', 'Hello Redis!')

订阅者：

import redisr = redis.Redis()
pubsub = r.pubsub()
pubsub.subscribe('channel')for message in pubsub.listen():if message['type'] == 'message':print(f"Received: {message['data']}")

六、Redis最佳实践

6.1 性能优化

  1. 合理使用数据结构：根据场景选择最合适的数据结构

  2. 批量操作：使用MSET、HMGET等批量命令减少网络开销

  3. 管道(Pipeline)：将多个命令一次性发送

    pipe = r.pipeline()
pipe.set('foo', 'bar')
pipe.get('foo')
result = pipe.execute()

  4. 避免大键：单个键值不宜过大（建议小于1MB）

  5. 设置合理过期时间：避免内存无限增长

6.2 安全配置

  1. 设置密码：requirepass yourpassword

  2. 禁用危险命令：

    rename-command FLUSHALL ""
rename-command CONFIG ""

  3. 绑定IP：仅允许可信IP访问

  4. 使用非默认端口：避免使用6379默认端口

  5. 限制内存：maxmemory 2gb + maxmemory-policy allkeys-lru

6.3 监控与维护

  1. 监控命令：

    redis-cli info         # 查看服务器信息
redis-cli info memory  # 查看内存使用情况
redis-cli info stats   # 查看统计信息

  2. 备份策略：

    • 定期备份RDB文件

    • 考虑AOF与RDB结合使用

  3. 内存优化：

    • 使用OBJECT ENCODING key查看编码方式

    • 对小整数使用共享对象

    • 对短字符串使用embstr编码

七、Redis常见问题解答

7.1 Redis为什么这么快？

  1. 内存存储：数据主要存储在内存中

  2. 单线程模型：避免多线程上下文切换和竞争条件

  3. IO多路复用：使用epoll/kqueue等高效IO模型

  4. 高效数据结构：专门设计的数据结构和编码方式

7.2 Redis适合哪些场景？

  • 缓存系统

  • 会话存储

  • 排行榜/计数器

  • 消息队列

  • 实时系统

  • 社交网络关系

7.3 Redis不适合哪些场景？

  • 数据量超过内存大小

  • 需要复杂SQL查询

  • 需要完整ACID事务

  • 需要持久化存储大数据集

7.4 如何选择Redis持久化方式？

  • RDB：适合备份、灾难恢复、快速重启

  • AOF：适合数据安全性要求高的场景

  • RDB+AOF：生产环境推荐组合

八、学习资源推荐

  1. 官方文档：Docs

  2. Redis中文网：http://www.redis.cn/

  3. 《Redis设计与实现》：深入理解Redis内部机制

  4. 《Redis实战》：实用案例和最佳实践

  5. Redis University：免费在线课程

通过本教程，你应该对Redis有了全面的了解。Redis功能强大但学习曲线平缓，建议结合实际项目多加练习，逐步掌握其高级特性和优化技巧。

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