Redis 教程：从零开始学 Redis

在当今这个数据驱动的时代，高效地存储、检索和管理数据对于应用程序的性能至关重要。关系型数据库（如 MySQL、PostgreSQL）在许多场景下表现出色，但在面对高并发、低延迟的读写需求时，往往会遇到瓶颈。这时，内存数据库（In-Memory Database）应运而生，而 Redis 正是其中最耀眼的明星。

Redis（Remote Dictionary Server）是一个开源的、使用 ANSI C 语言编写的、支持网络、基于内存亦可持久化的日志型、Key-Value 数据库，并提供多种语言的 API。它以其惊人的速度、丰富的数据结构、简单易用的特性以及广泛的应用场景，成为了现代 Web 开发、分布式系统、实时分析等领域不可或缺的组件。

本教程旨在引导初学者从零开始，系统地学习 Redis 的核心概念、基本操作、数据结构、常用功能以及典型应用场景，帮助你快速掌握并能在实际项目中应用 Redis。

一、 认识 Redis：它是什么？为什么选择它？

1. Redis 的核心特性：

• 基于内存存储： Redis 将绝大部分数据存储在内存中，这是其读写速度极快的主要原因。内存的访问速度远超磁盘 I/O，使得 Redis 能够轻松应对每秒数万甚至数十万次的请求。
• Key-Value 存储： Redis 的基本数据模型是键值对（Key-Value）。每个 Key 都是唯一的字符串，Value 则可以是多种不同的数据类型。
• 丰富的数据结构： 与只能存储字符串的 Memcached 不同，Redis 支持多种复杂的数据结构，包括：
  • 字符串 (Strings): 最基本的数据类型，可以存储文本、序列化对象、二进制数据等，最大可达 512MB。
  • 哈希 (Hashes): 类似于编程语言中的 Map 或 Dictionary，用于存储对象的字段和值。非常适合存储结构化数据。
  • 列表 (Lists): 有序的字符串集合，按照插入顺序排序。可以快速地在列表头部或尾部添加/删除元素，适合实现消息队列、最新动态等。
  • 集合 (Sets): 无序的、唯一的字符串集合。支持高效的成员检查、交集、并集、差集等操作。
  • 有序集合 (Sorted Sets / ZSets): 类似于集合，但每个成员都关联一个 double 类型的分数（score）。Redis 根据分数对成员进行排序，可以快速地根据分数范围或排名获取成员。非常适合实现排行榜、带权重的任务队列等。
  • HyperLogLog: 用于进行基数统计（估算集合中不重复元素的数量），占用空间极小。
  • Bitmap: 位图，可以对位的级别进行操作，适合进行状态标记、用户签到等统计。
  • Geospatial: 地理空间索引，用于存储地理位置信息并进行范围查询。
• 持久化支持： 虽然基于内存，但 Redis 提供了两种持久化机制，确保在服务器重启后数据不会丢失：
  • RDB (Redis Database Backup): 按指定时间间隔将内存中的数据快照（snapshot）保存到磁盘。
  • AOF (Append Only File): 将所有执行的写命令追加到文件末尾，恢复时重新执行这些命令。
• 高可用与扩展性： Redis 支持主从复制（Replication）、哨兵（Sentinel）机制实现高可用，以及集群（Cluster）模式实现分布式存储和负载均衡。
• 原子操作： Redis 的大部分命令都是原子性的，这意味着一个命令在执行过程中不会被其他命令打断，保证了数据的一致性。
• 发布/订阅 (Pub/Sub): 内置了消息发布和订阅功能，可以用于构建简单的实时消息系统。
• 事务支持： 可以将多个命令打包在一起原子性地执行（但与关系型数据库的事务有所不同）。
• Lua 脚本： 允许用户编写 Lua 脚本在服务端原子性地执行复杂逻辑，减少网络开销。

2. 为什么选择 Redis？

• 高性能： 读写速度极快，轻松应对高并发场景。
• 丰富的数据结构： 满足多样化的业务需求，简化开发。
• 简单易用： 命令简洁明了，学习曲线平缓。
• 功能全面： 持久化、主从、集群、事务、Pub/Sub 等功能完善。
• 社区活跃： 拥有庞大的用户群体和活跃的社区支持，生态完善。
• 应用广泛： 在缓存、会话管理、消息队列、排行榜、计数器、实时分析等领域都有成熟应用。

二、 安装与启动 Redis

在学习 Redis 之前，首先需要在你的环境中安装它。

1. Linux (Ubuntu/Debian):

```bash
sudo apt update
sudo apt install redis-server

启动 Redis 服务

sudo systemctl start redis-server

设置开机自启

sudo systemctl enable redis-server

检查服务状态

sudo systemctl status redis-server
```

2. Linux (CentOS/RHEL):

```bash
sudo yum install epel-release
sudo yum install redis

启动 Redis 服务

sudo systemctl start redis

设置开机自启

sudo systemctl enable redis

检查服务状态

sudo systemctl status redis
```

3. macOS:

推荐使用 Homebrew 安装：

```bash
brew install redis

启动 Redis 服务 (后台运行)

brew services start redis

或者前台运行 (方便查看日志)

redis-server /usr/local/etc/redis.conf
```

4. Docker:

如果你熟悉 Docker，这是最方便快捷的跨平台方式：

```bash

拉取官方 Redis 镜像

docker pull redis

运行 Redis 容器 (后台运行，端口映射到宿主机的 6379)

docker run --name my-redis -d -p 6379:6379 redis

如果需要持久化数据，可以挂载卷

docker run --name my-redis -d -p 6379:6379 -v redis_data:/data redis redis-server --appendonly yes
```

5. Windows:

Redis 官方不直接支持 Windows，但微软维护了一个 Windows 移植版本（较旧）或者推荐使用 WSL (Windows Subsystem for Linux) 来运行 Linux 版 Redis。也可以使用 Docker Desktop for Windows。

连接 Redis 客户端:

安装完成后，可以使用 Redis 自带的命令行客户端 redis-cli 连接到 Redis 服务器：

bash
redis-cli

如果 Redis 服务器运行在不同的主机或端口，可以指定：

bash
redis-cli -h <hostname> -p <port>

连接成功后，你会看到类似 127.0.0.1:6379> 的提示符。可以尝试发送一个 PING 命令，如果服务器正常，会返回 PONG。

127.0.0.1:6379> PING
PONG

三、 Redis 核心概念：Keys 与 Values

Redis 的世界围绕着 键（Keys） 和 值（Values） 构建。

• Keys:

  • Keys 是二进制安全的字符串，你可以使用任何字符序列作为 Key，例如 "user:1001:profile"、"product:sku:12345" 甚至包含空格或特殊字符（但不推荐，可能导致管理困难）。
  • Key 的最大长度是 512MB（实际中应远小于此）。
  • 命名规范很重要: 为了便于管理和理解，建议采用有意义的、结构化的 Key 命名方式，例如 object-type:id:field（如 user:1001:name）或使用冒号 : 作为分隔符。
  • 避免使用过长或过于简短（如 "a", "b"）的 Key。

• Values:

  • Values 是与 Key 相关联的数据。
  • Redis 的强大之处在于 Value 可以是多种不同的数据结构，而不仅仅是简单的字符串。我们将在下一节详细探讨这些数据结构。

四、 Redis 五大常用数据结构详解

这是 Redis 的核心内容，理解并掌握这些数据结构及其常用命令至关重要。

1. 字符串 (String)

• 描述: 最基础的类型，可以存储字符串、整数或浮点数。Redis 会根据内容自动进行内部编码优化。二进制安全，最大 512MB。
• 应用场景: 缓存（页面、对象序列化）、计数器、分布式锁、存储 Session 信息等。
• 常用命令:
  • SET key value [EX seconds] [PX milliseconds] [NX|XX]：设置 key 的值。EX/PX 设置过期时间，NX 只在 key 不存在时设置，XX 只在 key 存在时设置。
    redis
127.0.0.1:6379> SET mykey "Hello Redis"
OK
127.0.0.1:6379> SET counter 100 EX 60 # 设置 counter 为 100，60秒后过期
OK
  • GET key：获取 key 的值。如果 key 不存在，返回 (nil)。
    redis
127.0.0.1:6379> GET mykey
"Hello Redis"
  • GETSET key value：设置新值并返回旧值。
  • MSET key value [key value ...]：同时设置多个 key-value 对。
  • MGET key [key ...]：同时获取多个 key 的值。
  • INCR key：将 key 存储的数字值增 1（如果 key 不存在，先初始化为 0 再执行）。
  • DECR key：将 key 存储的数字值减 1。
  • INCRBY key increment：将 key 存储的数字值增加指定的 increment。
  • DECRBY key decrement：将 key 存储的数字值减少指定的 decrement。
  • APPEND key value：将 value 追加到 key 原有值的末尾。
  • STRLEN key：返回 key 所存储的字符串值的长度。

2. 哈希 (Hash)

• 描述: 一个键值对集合，可以看作是 String Key 和 String Value 的 Map。特别适合存储对象。
• 应用场景: 存储用户信息（用户名、密码、邮箱等）、商品信息、配置项等结构化数据。相比将对象序列化后存入 String，Hash 更节省内存，且可以方便地对单个字段进行读写。
• 常用命令:
  • HSET key field value [field value ...]：设置哈希 key 中一个或多个 field 的值。
    redis
127.0.0.1:6379> HSET user:1001 name "Alice" age 30 email "[email protected]"
(integer) 3
  • HGET key field：获取哈希 key 中指定 field 的值。
    redis
127.0.0.1:6379> HGET user:1001 name
"Alice"
  • HMSET key field value [field value ...]：（已不推荐，建议使用 HSET）同时设置多个 field-value 对。
  • HMGET key field [field ...]：同时获取多个 field 的值。
  • HGETALL key：获取哈希 key 中所有的 field 和 value。
  • HDEL key field [field ...]：删除哈希 key 中的一个或多个 field。
  • HLEN key：获取哈希 key 中 field 的数量。
  • HEXISTS key field：检查哈希 key 中是否存在指定的 field。
  • HKEYS key：获取哈希 key 中所有的 field。
  • HVALS key：获取哈希 key 中所有的 value。
  • HINCRBY key field increment：为哈希 key 中指定 field 的数值增加 increment。

3. 列表 (List)

• 描述: 字符串列表，按照插入顺序排序。可以在列表的头部（左边）或尾部（右边）添加元素。底层实现可能是双向链表或压缩列表（ziplist），插入和删除操作非常快。
• 应用场景: 消息队列（生产者 LPUSH，消费者 RPOP/BRPOP）、任务队列、最新动态列表（LPUSH + LTRIM）、文章/评论列表。
• 常用命令:
  • LPUSH key element [element ...]：将一个或多个元素插入到列表 key 的头部。
  • RPUSH key element [element ...]：将一个或多个元素插入到列表 key 的尾部。
    redis
127.0.0.1:6379> LPUSH tasks "task1" "task2" "task3" # 插入后顺序: task3, task2, task1
(integer) 3
127.0.0.1:6379> RPUSH tasks "task0" # 插入后顺序: task3, task2, task1, task0
(integer) 4
  • LPOP key [count]：移除并返回列表 key 头部的 count 个元素（默认为 1）。
  • RPOP key [count]：移除并返回列表 key 尾部的 count 个元素（默认为 1）。
  • LRANGE key start stop：获取列表 key 中指定范围内的元素（start 和 stop 是基于 0 的索引，支持负数表示倒数位置，如 -1 表示最后一个元素）。
    redis
127.0.0.1:6379> LRANGE tasks 0 -1 # 获取所有元素
1) "task3"
2) "task2"
3) "task1"
4) "task0"
  • LLEN key：获取列表 key 的长度。
  • LINDEX key index：获取列表 key 中下标为 index 的元素。
  • LSET key index element：将列表 key 下标为 index 的元素设置为 element。
  • LTRIM key start stop：只保留列表 key 中指定范围内的元素，其他都删除。常用于保持列表固定长度。
  • BLPOP key [key ...] timeout：LPOP 的阻塞版本。如果列表为空，会阻塞等待 timeout 秒，直到有元素可弹出或超时。
  • BRPOP key [key ...] timeout：RPOP 的阻塞版本。

4. 集合 (Set)

• 描述: 无序的、不重复的字符串集合。底层实现是哈希表，所以添加、删除、查找的时间复杂度都是 O(1)。
• 应用场景: 标签系统（一个用户/文章拥有多个标签）、共同好友/关注、抽奖（随机获取元素）、计算独立访客（IP 去重）等。
• 常用命令:
  • SADD key member [member ...]：向集合 key 添加一个或多个 member。如果 member 已存在，则忽略。
    redis
127.0.0.1:6379> SADD tags:post:1 "redis" "database" "nosql"
(integer) 3
127.0.0.1:6379> SADD tags:post:1 "redis" # 尝试添加已存在的 "redis"
(integer) 0
  • SMEMBERS key：返回集合 key 中的所有成员。
    redis
127.0.0.1:6379> SMEMBERS tags:post:1
1) "nosql"
2) "redis"
3) "database" (注意：顺序不固定)
  • SISMEMBER key member：判断 member 是否是集合 key 的成员。返回 1 表示是，0 表示不是。
  • SCARD key：获取集合 key 的元素数量（基数）。
  • SREM key member [member ...]：从集合 key 中移除一个或多个 member。
  • SPOP key [count]：随机移除并返回集合 key 中的 count 个成员（默认为 1）。
  • SRANDMEMBER key [count]：随机返回集合 key 中的 count 个成员，但不移除它们。
  • 集合运算:
    • SINTER key [key ...]：返回给定所有集合的交集。
    • SUNION key [key ...]：返回给定所有集合的并集。
    • SDIFF key [key ...]：返回第一个集合与其他集合的差集。
    • SINTERSTORE destination key [key ...]：计算交集并将结果存入 destination 集合。
    • SUNIONSTORE destination key [key ...]：计算并集并将结果存入 destination 集合。
    • SDIFFSTORE destination key [key ...]：计算差集并将结果存入 destination 集合。

5. 有序集合 (Sorted Set / ZSet)

• 描述: 类似于集合，每个成员（member）都是唯一的，但同时关联了一个 double 类型的分数（score）。Redis 通过分数来为集合中的成员进行从小到大的排序。成员是唯一的，但分数可以重复。
• 应用场景: 排行榜（游戏积分榜、商品销量榜）、带权重的任务队列、范围查找（如查找积分在某个区间的用户）。
• 常用命令:
  • ZADD key [NX|XX] [CH] [INCR] score member [score member ...]：向有序集合 key 添加一个或多个 member 及其 score。NX 只添加新成员，XX 只更新已存在成员，CH 返回本次操作实际改变的成员数量，INCR 对已存在成员的 score 进行增加（此时 ZADD 行为类似 ZINCRBY）。
    redis
127.0.0.1:6379> ZADD leaderboard 100 "player1" 85 "player2" 95 "player3"
(integer) 3
127.0.0.1:6379> ZADD leaderboard XX INCR 10 "player2" # 给 player2 加 10 分
"95" # 返回 player2 的新分数
  • ZRANGE key start stop [WITHSCORES]：按分数从小到大返回指定排名范围内的成员。start 和 stop 是基于 0 的排名索引。WITHSCORES 同时返回成员和分数。
  • ZREVRANGE key start stop [WITHSCORES]：按分数从大到小返回指定排名范围内的成员。
    redis
127.0.0.1:6379> ZRANGE leaderboard 0 -1 WITHSCORES # 获取所有成员，按分升序
1) "player3"
2) "95"
3) "player2"
4) "95"
5) "player1"
6) "100"
127.0.0.1:6379> ZREVRANGE leaderboard 0 1 WITHSCORES # 获取排名前 2 的成员
1) "player1"
2) "100"
3) "player3" # 分数相同，按字典序排
4) "95"
  • ZRANGEBYSCORE key min max [WITHSCORES] [LIMIT offset count]：按分数范围返回成员。min 和 max 可以是 -inf、+inf，或者使用 ( 表示不包含边界（如 (80 100 表示 >80 且 <=100）。
  • ZREVRANGEBYSCORE key max min [WITHSCORES] [LIMIT offset count]：同上，但按分数从大到小返回。
  • ZCARD key：获取有序集合 key 的成员数量。
  • ZCOUNT key min max：获取有序集合 key 中，分数在 min 和 max 之间的成员数量。
  • ZSCORE key member：获取有序集合 key 中 member 的分数。
  • ZRANK key member：获取 member 在有序集合 key 中的排名（按分升序，从 0 开始）。
  • ZREVRANK key member：获取 member 在有序集合 key 中的排名（按分降序，从 0 开始）。
  • ZREM key member [member ...]：移除有序集合 key 中的一个或多个 member。
  • ZREMRANGEBYRANK key start stop：移除指定排名范围内的成员。
  • ZREMRANGEBYSCORE key min max：移除指定分数范围内的成员。
  • ZINCRBY key increment member：为 member 的分数增加 increment。

五、 通用 Key 操作命令

除了针对特定数据类型的命令，还有一些通用的操作 Key 的命令：

• DEL key [key ...]：删除一个或多个 Key 及其关联的值。
  redis
127.0.0.1:6379> DEL mykey counter tasks leaderboard tags:post:1 user:1001
(integer) 6 # 返回成功删除的 Key 的数量
• EXISTS key [key ...]：检查一个或多个 Key 是否存在。返回存在的 Key 的数量。
• KEYS pattern：查找所有符合给定模式 pattern 的 Key。警告： 在生产环境中，KEYS 是一个阻塞操作，当数据库很大时，执行 KEYS * 会严重影响性能，甚至导致服务卡顿。应尽量避免使用，或在数据量可控的情况下使用。推荐使用 SCAN 命令进行安全的遍历。
  redis
127.0.0.1:6379> SET user:1:name "A"
OK
127.0.0.1:6379> SET user:2:name "B"
OK
127.0.0.1:6379> KEYS user:*:name
1) "user:1:name"
2) "user:2:name"
• SCAN cursor [MATCH pattern] [COUNT count] [TYPE type]：基于游标的迭代器，用于安全地遍历 Key 空间。每次调用返回一部分 Key 和一个新的游标，直到游标返回 0 表示遍历完成。
• TYPE key：返回 Key 存储的值的类型（string, hash, list, set, zset）。
• RENAME key newkey：重命名 Key。如果 newkey 已存在，其值会被覆盖。
• RENAMENX key newkey：仅当 newkey 不存在时才重命名 Key。
• EXPIRE key seconds：为 Key 设置指定的过期时间（秒）。
• PEXPIRE key milliseconds：为 Key 设置指定的过期时间（毫秒）。
• EXPIREAT key timestamp：为 Key 设置一个 UNIX 时间戳作为过期时间点（秒）。
• PEXPIREAT key milliseconds-timestamp：为 Key 设置一个 UNIX 时间戳作为过期时间点（毫秒）。
• TTL key：返回 Key 的剩余生存时间（秒）。-1 表示永不过期，-2 表示 Key 不存在。
• PTTL key：返回 Key 的剩余生存时间（毫秒）。
• PERSIST key：移除 Key 的过期时间，使其永不过期。

六、 Redis 进阶主题简介

掌握了基础的数据结构和命令后，可以进一步了解 Redis 的一些高级特性：

• 持久化 (Persistence):

  • RDB: 优点是恢复速度快，文件紧凑。缺点是如果发生故障，会丢失最后一次快照之后的数据。
  • AOF: 优点是数据安全性更高（根据配置可丢失很少或不丢失数据）。缺点是文件体积通常比 RDB 大，恢复速度相对较慢。
  • 可以同时开启 RDB 和 AOF。

• 事务 (Transactions):

  • 使用 MULTI 开启事务，然后输入多个命令，最后使用 EXEC 执行。DISCARD 用于取消事务。
  • Redis 事务保证命令打包原子性执行，但不保证回滚。如果事务中的某个命令出错，其他命令依然会执行（除非是语法错误导致整个事务无法入队）。
  • WATCH key [key ...]：乐观锁机制。如果在 EXEC 执行前，被 WATCH 的 Key 被其他客户端修改，则事务执行失败。

• 发布/订阅 (Pub/Sub):

  • SUBSCRIBE channel [channel ...]：订阅一个或多个频道。
  • PUBLISH channel message：向指定频道发布消息，所有订阅者都会收到。
  • UNSUBSCRIBE [channel [channel ...]]：取消订阅。
  • 适用于简单的实时消息通知、事件广播等。不保证消息可靠性，如果订阅者掉线，期间发布的消息会丢失。

• Lua 脚本:

  • 使用 EVAL script numkeys key [key ...] arg [arg ...] 或 EVALSHA sha1 numkeys key [key ...] arg [arg ...] 执行 Lua 脚本。
  • 脚本在 Redis 服务器端原子性执行，可以减少网络往返，实现更复杂的原子操作。

• 主从复制 (Replication):

  • 一个 Master 节点可以有多个 Slave 节点。Slave 会复制 Master 的数据。
  • 用于读写分离（Master 写，Slave 读）和数据冗余备份。

• 哨兵 (Sentinel):

  • 监控 Master 和 Slave 的状态，在 Master 故障时自动进行故障转移（Failover），选举新的 Master。
  • 提供客户端服务发现。

• 集群 (Cluster):

  • 将数据分片（Sharding）存储在多个 Redis 节点上，实现水平扩展和高可用。
  • 去中心化架构，每个节点都知道集群状态和数据分布。

七、 Redis 典型应用场景

• 缓存: 最常见的用途。缓存数据库查询结果、API 响应、计算结果、渲染后的 HTML 片段等，大幅提升应用性能，降低后端负载。通常使用 String 或 Hash 结构。设置合理的过期时间（EXPIRE）是关键。
• 会话管理 (Session Store): 将用户的 Session 信息存储在 Redis 中，实现分布式 Session 共享，便于应用水平扩展。通常使用 String 结构存储序列化后的 Session 数据。
• 计数器/限流器: 利用 INCR/INCRBY 的原子性实现各种计数功能（如网站 PV/UV、点赞数、库存数量）和接口访问频率限制。
• 排行榜: 利用 Sorted Set 的排序功能，轻松实现游戏积分榜、热销商品榜、热门帖子排行等。
• 消息队列/任务队列: 利用 List 的 LPUSH/RPOP（或阻塞版本 BRPOP）实现简单的先进先出队列，用于服务解耦、异步处理任务。
• 分布式锁: 利用 SET key value NX EX seconds 命令的原子性实现简单的分布式锁，防止并发场景下的资源竞争问题。
• 实时数据处理: 结合 Pub/Sub 或 List 实现实时数据流的发布、订阅和处理。
• 地理空间查询: 利用 Geospatial 数据结构存储位置信息，进行附近的人/地点查找。
• 位操作应用: 利用 Bitmap 实现用户签到统计、在线状态标记、布隆过滤器等。

八、 学习资源与后续步骤

• 官方文档: redis.io 是最权威、最全面的学习资源。
• redis-cli 内置帮助: 在 redis-cli 中输入 HELP @<group>（如 HELP @string, HELP @list）可以查看命令帮助。
• 在线教程与书籍: 网络上有大量优秀的 Redis 教程和实战书籍。
• 实践: 最重要的学习方式是动手实践。安装 Redis，尝试各种命令，模拟不同的应用场景。
• 深入: 了解 Redis 的内部实现（数据结构、持久化原理、网络模型）、性能调优、高可用架构（Sentinel、Cluster）配置与管理。

结语

Redis 以其卓越的性能和丰富的功能，在现代技术栈中扮演着越来越重要的角色。通过本教程的学习，你应该对 Redis 的基本概念、核心数据结构、常用命令以及应用场景有了初步的了解。但这仅仅是一个开始，Redis 的世界远不止于此。持续学习，不断实践，深入探索其高级特性和内部原理，你将能够更加充分地发挥 Redis 的威力，为你的应用程序带来显著的性能提升和功能扩展。祝你在 Redis 的学习之路上不断进步！