Java应用【XIX】Redis入门

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一、简介

1.1 Redis是什么

Redis是一个基于内存的开源键值存储系统，它可以用作数据库、缓存、消息中间件和任务队列等多种用途。

1.2 Redis的优点和缺点

Redis的优点包括：

1. 非常快速：Redis是一个基于内存的存储系统，因此它的读写速度非常快。
2. 支持多种数据结构：Redis支持多种数据结构，包括字符串、列表、集合、哈希表和有序集合等，因此可以适用于不同的场景。
3. 支持事务：Redis的事务机制可以让多个命令在一个事务中执行，保证操作的原子性和一致性。
4. 支持持久化：Redis可以将数据持久化到磁盘上，以保证数据的可靠性和持久性。
5. 支持复制和高可用性：Redis支持主从复制和哨兵机制，可以实现高可用性和负载均衡。

Redis的缺点包括：

1. 内存限制：Redis的数据存储在内存中，因此受到内存大小的限制，不能存储过大的数据。
2. 数据持久化成本较高：Redis的持久化机制会带来一定的性能损失和存储成本，需要在性能和数据安全之间做出平衡。
3. 不支持复杂查询：Redis不支持复杂的查询操作，例如关系型数据库中的join操作。
4. 不能作为全局锁：Redis的锁机制只能作用于单个Redis实例，不能作为全局锁使用。

二、在Java中使用Redis

2.1 Redis的Java客户端

要在Java中使用Redis，需要借助Redis的Java客户端。Redis官方提供了一些Java客户端，比如Jedis和Lettuce等，这些客户端都是基于Redis协议实现的，可以通过Java语言来访问和操作Redis数据库。

Jedis是Redis官方推荐的Java客户端，使用简单，性能高效，而且支持比较完整的Redis命令。在使用Jedis时，需要在项目中引入jedis依赖，比如Maven项目中可以在pom.xml文件中添加如下依赖：

dependency>
    groupId>redis.clientsgroupId>
    artifactId>jedisartifactId>
    version>3.7.0version>
dependency>

引入依赖后，可以通过以下方式创建一个Jedis客户端连接：

Jedis jedis = new Jedis("localhost", 6379);

其中，”localhost”是Redis服务器的地址，6379是Redis服务器的端口号。如果Redis服务器启用了密码验证，还需要在创建连接时进行认证：

Jedis jedis = new Jedis("localhost", 6379);
jedis.auth("password");

创建连接之后，就可以使用Jedis提供的API来进行Redis操作了。比如，可以通过以下代码向Redis中添加一个字符串类型的键值对：

jedis.set("key", "value");

除了Jedis之外，还有其他的Java客户端可以用于访问Redis，比如Lettuce、Redisson等，它们都提供了比较完善的Redis操作API，可以根据自己的需要选择使用。

2.2 Redis的连接和配置

连接Redis需要指定Redis服务器的IP地址和端口号。在Jedis中，可以使用JedisPool来管理连接池，可以在应用程序初始化时创建一个JedisPool对象，然后在需要使用Redis时从连接池中获取一个Jedis对象进行操作。

以下是一个Jedis连接池的配置示例：

JedisPoolConfig poolConfig = new JedisPoolConfig();
poolConfig.setMaxTotal(20);
poolConfig.setMaxIdle(10);
poolConfig.setMinIdle(5);
poolConfig.setTestOnBorrow(true);
poolConfig.setTestOnReturn(true);

String redisHost = "127.0.0.1";
int redisPort = 6379;
int redisTimeout = 2000;

JedisPool jedisPool = new JedisPool(poolConfig, redisHost, redisPort, redisTimeout);

在这个示例中，我们使用JedisPoolConfig来配置连接池的参数，包括连接池的最大连接数、最大空闲连接数、最小空闲连接数等。然后，我们指定Redis服务器的IP地址和端口号，并设置连接的超时时间为2秒。

在创建JedisPool对象时，可以配置一些参数来控制连接池的行为，以下是常用的配置项：

1. 最大连接数（maxTotal）
   最大连接数指连接池中最多可以存在的连接数量。如果超过这个数量，新的连接请求会被阻塞，直到有连接被释放回连接池中。默认值为8。
2. 最大空闲连接数（maxIdle）
   最大空闲连接数指连接池中最多可以存在的空闲连接数量。当连接池中的连接数量超过这个数量时，多余的连接会被释放。默认值为8。
3. 最小空闲连接数（minIdle）
   最小空闲连接数指连接池中最少需要保持的空闲连接数量。当连接池中的连接数量低于这个数量时，会自动创建新的连接。默认值为0。
4. 连接超时时间（timeout）
   连接超时时间指连接Redis服务器的超时时间。如果连接时间超过这个时间，连接会被认为是失败的。默认值为2000毫秒。
5. 阻塞等待连接的超时时间（maxWaitMillis）
   阻塞等待连接的超时时间指当连接池中的连接数量已经达到最大连接数时，新的连接请求会被阻塞的时间。如果阻塞等待的时间超过这个值，连接请求会被认为是失败的。默认值为-1，表示无限等待。
6. 是否进行连接测试（testOnBorrow）
   是否进行连接测试指在从连接池中获取连接时，是否进行连接测试。如果开启这个选项，每次获取连接时都会尝试连接Redis服务器，并检查连接是否可用。默认值为false。
7. 是否在归还连接时测试连接（testOnReturn）
   是否在归还连接时测试连接指在将连接归还到连接池中时，是否进行连接测试。如果开启这个选项，每次将连接归还到连接池时都会尝试连接Redis服务器，并检查连接是否可用。默认值为false。

除了上述配置项外，JedisPool还提供了其他的配置项，比如连接空闲时是否进行心跳检测等。根据实际需要进行配置即可。

2.3 Redis的基本操作：增删改查

存储数据

// 存储字符串
jedis.set("key", "value");

// 存储Hash
MapString, String> map = new HashMap();
map.put("field1", "value1");
map.put("field2", "value2");
jedis.hmset("hashkey", map);

// 存储List
jedis.rpush("listkey", "value1", "value2", "value3");

// 存储Set
jedis.sadd("setkey", "value1", "value2", "value3");

// 存储Sorted Set
jedis.zadd("zsetkey", 1, "value1");
jedis.zadd("zsetkey", 2, "value2");
jedis.zadd("zsetkey", 3, "value3");

获取数据

// 获取字符串
String value = jedis.get("key");

// 获取Hash
MapString, String> map = jedis.hgetAll("hashkey");

// 获取List
ListString> list = jedis.lrange("listkey", 0, -1);

// 获取Set
SetString> set = jedis.smembers("setkey");

// 获取Sorted Set
SetString> zset = jedis.zrange("zsetkey", 0, -1);

更新数据

// 更新字符串
jedis.set("key", "newvalue");

// 更新Hash
jedis.hset("hashkey", "field1", "newvalue1");

// 更新List
jedis.lset("listkey", 1, "newvalue2");

// 更新Set
jedis.srem("setkey", "value1");
jedis.sadd("setkey", "newvalue1");

// 更新Sorted Set
jedis.zrem("zsetkey", "value1");
jedis.zadd("zsetkey", 4, "newvalue1");

删除数据

// 删除字符串
jedis.del("key");

// 删除Hash
jedis.hdel("hashkey", "field1");

// 删除List
jedis.lrem("listkey", 1, "value2");

// 删除Set
jedis.srem("setkey", "value1");

// 删除Sorted Set
jedis.zrem("zsetkey", "value1");

以上就是Java中使用Redis进行增删改查的基本操作。

三、Redis支持的数据结构

3.1 字符串（string）

字符串是Redis中最常用的数据结构之一，可以用于存储用户信息、缓存数据、计数器等。在使用字符串时，需要注意避免超过最大长度的限制，同时要考虑数据类型转换的问题。

下面是字符串常用的操作：

1. SET key value：设置键值对。
2. GET key：获取键对应的值。
3. GETRANGE key start end：获取字符串指定范围内的子串。
4. SETRANGE key offset value：在指定偏移量处修改字符串。
5. APPEND key value：在字符串末尾追加字符串。
6. STRLEN key：获取字符串的长度。
7. INCR key：将键的值自增1。
8. DECR key：将键的值自减1。
9. INCRBY key increment：将键的值增加指定的整数值。
10. DECRBY key decrement：将键的值减少指定的整数值。
11. SETEX key seconds value：设置键值对，并指定过期时间（单位为秒）。
12. PSETEX key milliseconds value：设置键值对，并指定过期时间（单位为毫秒）。
13. MSET key1 value1 key2 value2 … keyN valueN：批量设置多个键值对。
14. MGET key1 key2 … keyN：批量获取多个键对应的值。
15. SETNX key value：仅在键不存在时设置键的值。
16. GETSET key value：设置键的值，并返回旧的值。

3.2 列表（list）

列表（list）可以存储多个有序的字符串元素，支持在列表头部和尾部进行添加和删除操作。列表可以当做队列（先进先出）或者栈（后进先出）来使用。

下面是列表常用的操作：

1. LPUSH key value1 [value2]：在列表的头部添加一个或多个元素。
2. RPUSH key value1 [value2]：在列表的尾部添加一个或多个元素。
3. LPOP key：移除并返回列表的头部元素。
4. RPOP key：移除并返回列表的尾部元素。
5. LINDEX key index：获取指定索引位置的元素。
6. LLEN key：获取列表的长度。
7. LRANGE key start stop：获取列表中指定范围内的元素。
8. LREM key count value：从列表中移除指定个数的元素。
9. LTRIM key start stop：保留指定范围内的元素，移除其它元素。
10. BLPOP key1 [key2] timeout：阻塞式地移除并返回列表的头部元素。
11. BRPOP key1 [key2] timeout：阻塞式地移除并返回列表的尾部元素。
12. BRPOPLPUSH source destination timeout：阻塞式地将一个列表的尾部元素移动到另一个列表的头部。
13. LINSERT key BEFORE|AFTER pivot value：在列表中查找指定元素，并在其前或后插入新元素。

3.3 集合（set）

集合（set）是一种无序数据结构，它包含一些唯一的、无序的字符串元素。集合中不允许有重复的元素。集合支持并集、交集、差集等操作。

下面是集合常用的操作：

1. SADD key member1 [member2]：向集合添加一个或多个元素。
2. SREM key member1 [member2]：从集合中移除一个或多个元素。
3. SISMEMBER key member：判断元素是否在集合中。
4. SMEMBERS key：获取集合中所有的元素。
5. SUNION key1 [key2]：计算多个集合的并集。
6. SINTER key1 [key2]：计算多个集合的交集。
7. SDIFF key1 [key2]：计算多个集合的差集。
8. SMOVE source destination member：将元素从一个集合移动到另一个集合。
9. SCARD key：获取集合的元素数量。
10. SRANDMEMBER key [count]：随机获取集合中的一个或多个元素。

3.4 哈希表（hash）

哈希表（hash）是一个string类型的field和value的映射表，也就是键值对的集合。哈希表通常被用于表示对象，每个哈希表都可以存储多个键值对。

下面是哈希表常用的操作：

1. HSET key field value：向哈希表添加一个键值对。
2. HGET key field：获取哈希表中指定field的value值。
3. HMSET key field1 value1 [field2 value2]：向哈希表添加多个键值对。
4. HMGET key field1 [field2]：获取哈希表中多个field的value值。
5. HDEL key field1 [field2]：从哈希表中删除一个或多个field。
6. HEXISTS key field：判断哈希表中是否存在指定field。
7. HKEYS key：获取哈希表中所有的field。
8. HVALS key：获取哈希表中所有的value。
9. HLEN key：获取哈希表中键值对的数量。
10. HINCRBY key field increment：为哈希表中指定field的value增加一个整数。

哈希表可以用于存储对象的属性和属性值，比如用户对象的姓名、年龄、地址等信息。使用哈希表时需要注意，当哈希表中的键值对较多时，会对Redis的内存消耗产生较大的影响，因此需要谨慎使用。

3.5 有序集合（sorted set）

有序集合（Sorted Set）是一种键值对的有序集合，其中的每个元素都与一个分数相关联。有序集合通常被用于需要排序的场景，比如排行榜、时间线等。

下面是有序集合常用的操作：

1. ZADD key score1 member1 [score2 member2]：向有序集合添加一个或多个元素。
2. ZREM key member1 [member2]：从有序集合中移除一个或多个元素。
3. ZSCORE key member：获取有序集合中指定元素的分数。
4. ZRANK key member：获取有序集合中指定元素的排名，排名从0开始。
5. ZRANGE key start stop [WITHSCORES]：获取有序集合中指定排名范围内的元素，可以通过WITHSCORES选项获取元素的分数。
6. ZREVRANGE key start stop [WITHSCORES]：获取有序集合中指定排名范围内的元素，按照分数从大到小排序。
7. ZCOUNT key min max：获取有序集合中指定分数范围内的元素数量。
8. ZINCRBY key increment member：为有序集合中指定元素的分数增加一个数值。
9. ZCARD key：获取有序集合中元素的数量。
10. ZRANGEBYSCORE key min max [WITHSCORES] [LIMIT offset count]：获取有序集合中指定分数范围内的元素，可以通过WITHSCORES选项获取元素的分数，可以通过LIMIT选项控制返回结果的数量。

有序集合是一种非常有用的数据结构，可以用于排行榜、计数器、票选等场景。在使用有序集合时，需要注意避免在数据量较大时对性能的影响。如果需要对元素进行增删改查等频繁的操作，可以考虑使用Hash表。

3.6 Bitmap  

Bitmap可以将一个二进制的位图储存在Redis的字符串值中，用于对某些状态进行标记。例如，可以用Bitmap记录用户的签到情况，或者统计某个网站每天的访问量等。

Bitmap支持的操作包括：

1. SETBIT key offset value：将key对应的位图中offset位的值设为value（0或1），如果offset超过了位图的长度，则自动进行扩展。
2. GETBIT key offset：获取key对应的位图中offset位的值，返回0或1。
3. BITCOUNT key [start end]：统计key对应的位图中，从start位到end位中值为1的位的数量，如果没有指定start和end，则统计整个位图中值为1的位的数量。
4. BITOP operation destkey key1 [key2…]: 对多个位图进行逻辑操作，支持AND、OR、XOR、NOT四种操作。结果储存在destkey对应的位图中。

Bitmap可以用于对大量的布尔状态进行快速的储存和计算。在使用Bitmap时，需要注意位图的长度，以及对位图进行操作的正确性。例如，如果某个位图的长度较长，会占用较多的内存空间。同时，因为Redis中的数据都是单线程处理的，对较大的位图进行复杂的位运算可能会影响Redis的性能。

3.7 HyperLogLog  

HyperLogLog可以用于对大数据流中的不重复元素进行近似计数。HyperLogLog的原理是，通过将元素进行哈希，并将哈希值中的一部分作为标识，将元素分散到不同的桶中，然后对每个桶中的元素进行计数，再对计数结果进行合并。由于哈希的不可逆性，可以保证在较高的概率下，同一个元素不会被分到多个桶中。

HyperLogLog支持的操作包括：

1. PFADD key element [element …]：向HyperLogLog中添加一个或多个元素。
2. PFCOUNT key [key …]：统计HyperLogLog中不同元素的数量。
3. PFMERGE destkey sourcekey [sourcekey …]：将多个HyperLogLog合并为一个HyperLogLog。

HyperLogLog的计数结果是近似值，并不是精确值，但是其计算结果的误差很小，在实际应用中是可接受的。HyperLogLog可以用于对访问网站的IP地址、某个产品的浏览量等大量不重复元素的统计。在使用HyperLogLog时，需要注意调整哈希函数的位数和桶的数量，以及对误差的容忍度。

3.8 地理空间索引（Geospatial）

Geospatial可以用于地理空间索引和查询。Geospatial可以将地理位置（经度和纬度）作为元素储存在Redis中，并支持基于距离的查询和范围查询。

Geospatial支持的操作包括：

1. GEOADD key longitude latitude member [longitude latitude member …]：向key对应的地理空间中添加一个或多个元素。
2. GEOPOS key member [member …]：获取key对应的地理空间中一个或多个元素的经纬度坐标。
3. GEODIST key member1 member2 [unit]：获取key对应的地理空间中两个元素之间的距离，可以指定返回值的单位（默认为米）。
4. GEORADIUS key longitude latitude radius m|km|ft|mi [WITHCOORD] [WITHDIST] [WITHHASH] [COUNT count] [ASC|DESC]：根据给定的经纬度和半径，在key对应的地理空间中查找符合条件的元素，可以指定返回值的方式和数量。
5. GEORADIUSBYMEMBER key member radius m|km|ft|mi [WITHCOORD] [WITHDIST] [WITHHASH] [COUNT count] [ASC|DESC]：根据给定的元素和半径，在key对应的地理空间中查找符合条件的元素，可以指定返回值的方式和数量。

Geospatial可以用于地图服务、周边搜索等场景。在使用Geospatial时，需要注意使用合适的经纬度坐标系和距离单位，以及对查询结果的过滤和排序。

四、Redis的持久化方式

4.1 RDB方式

RDB是什么

RDB（Redis DataBase）是Redis的一种持久化方式，它可以在指定的时间间隔内将Redis的数据集快照保存到硬盘上。RDB持久化方式通过生成一个二进制的RDB文件来实现数据的持久化。

RDB方式的优点是：

1. RDB文件是一个二进制文件，可以将其复制到其他地方，以备份和恢复数据。
2. RDB方式可以在Redis重启时快速地加载大量数据。
3. RDB方式比AOF（Append Only File）方式占用更少的磁盘空间。

RDB方式的缺点是：

1. RDB文件只保存Redis在指定时间间隔内的数据集状态，如果Redis意外停机，将会导致数据的丢失。
2. RDB文件的创建频率和Redis数据集的大小成正比。
3. RDB文件的创建会导致Redis在一段时间内停止接收客户端的请求，因为Redis在创建RDB文件时会阻塞所有操作。

如何进行配置

配置RDB方式的参数可以在Redis的配置文件redis.conf中进行。以下是一些常用的配置项：

save 900 1          # 在900秒内，如果有至少一个键被改动，则保存数据到RDB文件
save 300 10         # 在300秒内，如果有至少10个键被改动，则保存数据到RDB文件
save 60 10000       # 在60秒内，如果有至少10000个键被改动，则保存数据到RDB文件
dbfilename dump.rdb # RDB文件的文件名
dir /var/lib/redis   # RDB文件的保存路径

在以上配置中，save指定了RDB文件的保存策略，dbfilename指定了RDB文件的文件名，dir指定了RDB文件的保存路径。可以根据实际情况调整这些参数，以达到更好的性能和可靠性。同时，在使用RDB方式时，也可以通过手动执行SAVE命令，来生成一个RDB文件。

4.2 AOF方式

AOF是什么

AOF（Append Only File）是Redis的一种持久化方式，它会将每个写命令追加到一个文件中，这样就可以在Redis重启时重新执行这些写命令，从而恢复数据集的状态。

AOF方式的优点是：

1. AOF文件是一个文本文件，可以方便地进行人工编辑，从而恢复数据。
2. AOF方式比RDB方式更可靠，因为它可以在Redis停机时自动恢复数据。
3. AOF方式可以保证Redis在每次写操作时都会同步到磁盘上，从而减少数据丢失的风险。

AOF方式的缺点是：

1. AOF文件的大小通常比RDB文件大，因为它记录了所有的写操作。
2. AOF文件的恢复速度比RDB方式慢，因为需要重新执行所有的写操作。
3. AOF文件的写入会降低Redis的性能，因为需要频繁地将数据写入磁盘。

如何进行配置

配置AOF方式的参数可以在Redis的配置文件redis.conf中进行。以下是一些常用的配置项：

appendonly yes               # 启用AOF持久化方式
appendfilename "appendonly.aof" # AOF文件的文件名
appendfsync everysec         # 每秒将AOF缓冲区写入磁盘
dir /var/lib/redis           # AOF文件的保存路径

在以上配置中，appendonly指定了启用AOF方式，appendfilename指定了AOF文件的文件名，appendfsync指定了将AOF缓冲区写入磁盘的策略，dir指定了AOF文件的保存路径。可以根据实际情况调整这些参数，以达到更好的性能和可靠性。同时，在使用AOF方式时，也可以通过手动执行BGREWRITEAOF命令，来重新生成一个AOF文件。

五、Redis的并发和锁的实现

5.1 Redis的事务机制

Redis支持事务机制，事务可以将多个命令封装在一起，然后一次性执行，从而保证多个命令的原子性。Redis的事务机制采用的是乐观锁的机制，具体实现方式是：

1. 事务开始时，Redis会将客户端的状态设置为MULTI。
2. 在MULTI状态下，客户端可以执行多个命令。
3. 执行完所有命令后，客户端可以调用EXEC命令，Redis会在执行之前检查所有命令是否可以顺利执行。
4. 如果所有命令都可以顺利执行，则Redis会将它们一起执行，从而保证原子性。
5. 如果其中有一个命令不能执行，则Redis会回滚所有已执行的命令，从而保证数据的一致性。

事务的具体实现方式可以通过Redis的MULTI、EXEC、DISCARD和WATCH命令来完成。其中，MULTI和EXEC是事务的核心命令，DISCARD可以用来取消一个事务，而WATCH可以用来实现Redis的乐观锁机制。

在使用事务时，需要注意以下几点：

1. 事务期间的所有命令都不会被立即执行，而是缓存在一个队列中，直到EXEC命令被调用。
2. 事务期间的所有命令都必须是无状态的，即不能依赖于之前的状态，否则会出现意料之外的结果。
3. 事务期间可以使用Redis的流水线技术来提高性能，即在MULTI和EXEC之间，可以一次性发送多个命令给Redis，从而减少通信的开销。

事务是Redis实现并发和锁机制的一种方式，它可以保证多个命令的原子性，但是不能解决所有的并发问题。在实际使用中，还需要根据具体的业务场景，使用Redis提供的其他并发和锁机制来保证数据的一致性和可靠性。

5.2 Redis的乐观锁和悲观锁

1. 乐观锁

Redis的乐观锁是通过WATCH命令和CAS（Compare And Set）命令实现的。WATCH命令可以监视一个或多个键的变化情况，当任意一个监视的键被修改时，后续的事务会被取消。CAS命令可以在执行SET命令之前，检查键的值是否符合预期，如果符合预期，则执行SET命令，否则不执行。

使用乐观锁时，需要注意以下几点：

• WATCH命令只能用于事务中，而CAS命令可以单独使用。
• WATCH命令可以监视多个键的变化情况，但是监视的键数量不能太多，否则会降低性能。
• CAS命令需要预先获取键的值，并在执行SET命令之前进行检查，这可能会引起竞争条件和死锁问题。

2. 悲观锁

Redis的悲观锁是通过SETNX（SET if Not eXists）命令实现的。SETNX命令可以在键不存在时，执行SET命令，并将键的值设置为指定的值，从而实现悲观锁的效果。

使用悲观锁时，需要注意以下几点：

• SETNX命令只能用于单个键，而不能用于多个键或事务中。
• SETNX命令可以保证并发访问的正确性，但是可能会引起性能问题和死锁问题。
• SETNX命令不能设置过期时间，因此可能会引起数据存储的问题。

六、总结

通过本文的介绍，我们可以清晰地了解Redis的基本概念、使用方法和注意事项。

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