Redis — что это за СУБД и как она работает

Server является нереляционной системой управления базами данных. Это означает, что она не хранит информацию в виде связанных двумерных таблиц, а организует ее по-другому. Именно поэтому “Рэдис” работает быстрее и более удобен, чем стандартные реляционные БД. Однако он не так надежен и часто используется в качестве вспомогательной системы.

На русском языке систему обычно называют «редис» с ударением на первый слог. В разработчическом сленге она также называется «редис» с ударением на второй слог, как если бы это был овощ.

Область применения

“Рэдис” служит различным целям, и его использование зависит от конкретных потребностей. Вот несколько основных сценариев, когда Redis оказывается полезным:

• Кэширование данных из основной СУБД. “Рэдис” часто используется в качестве кэша, чтобы снизить нагрузку на основную систему управления базами данных. Он хранит часто запрашиваемые данные в оперативной памяти, обеспечивая быстрый доступ к ним и уменьшая задержки при запросах.
• Хранение данных сессии пользователя. Redis может использоваться для временного хранения данных сессии пользователя, таких как введенный текст, который еще не отправлен. Это позволяет сохранить состояние сессии и продолжить работу после перезапуска приложения или входа пользователя.
• Передача сообщений. “Рэдис” может служить как брокер сообщений, где система хранит и пересылает сообщения между отправителями и получателями. Это особенно полезно для асинхронной обработки задач и создания распределенных систем.
• Хранение промежуточных данных. Redis идеально подходит для хранения временных данных, которые имеют короткий «срок жизни». Это может включать в себя результаты ответов на опросы, временные операционные данные и другие подобные случаи.
• Управление БД маленьких приложений и одностраничных сайтов. “Рэдис” может быть использован для хранения и управления данными в небольших приложениях и сайтах с небольшой нагрузкой.

Кроме того, Redis активно применяется в системах, где скорость является критическим фактором. Например, на финансовых биржах, где даже небольшие задержки могут привести к финансовым потерям, “Рэдис” используется для хранения и передачи быстрых данных с минимальными задержками.

Однако, как правило, Redis не используется в качестве основной базы данных, а служит дополнительным инструментом для определенных задач.

Принцип работы

Хранение данных в Redis включает в себя создание форков процессов. Форк — это создание нового процесса путем копирования родительского процесса. Эти новые процессы могут взаимодействовать между собой, и при этом система избегает перегрузок путем совместного использования памяти с применением принципа Copy-On-Write. Это означает, что дополнительная память выделяется только при внесении изменений в процесс, и объем этой дополнительной памяти остается незначительным.

Отличия от реляционных СУБД

Redis отличается от реляционных СУБД, таких как Oracle или MySQL, по нескольким ключевым аспектам:

Хранение данных

Реляционные СУБД хранят информацию в двумерных таблицах и устанавливают связи между ними. Для взаимодействия с данными используется язык запросов SQL, который требует формирования запросов и обработки результатов запросов для получения читаемых данных на языке программирования.

“Рэдис” хранит данные непосредственно в виде различных структур данных, таких как:

• строки;
• списки;
• хеш-таблицы и другие.

Эти структуры данных обеспечивают более гибкий способ организации данных, чем табличная структура реляционных баз данных.

Работа с оперативной памятью

Redis хранит данные в оперативной памяти сервера, в то время как реляционные СУБД обычно записывают данные на жесткий диск. Это делает “Рэдис” значительно быстрее при выполнении операций чтения и записи, так как доступ к данным осуществляется в оперативной памяти без необходимости обращения к диску.

Однако Redis не подходит для хранения больших объемов данных, которые не помещаются в оперативной памяти.

Отсутствие SQL

В Redis не требуется использовать SQL для выполнения запросов к данным. Вместо этого “Рэдис” предоставляет свой собственный набор команд для работы с различными структурами данных. Это упрощает взаимодействие с данными и делает Redis более простым и быстрым в использовании для определенных задач.

Ниже целостность данных

В отличие от реляционных баз данных, “Рэдис” не полностью соответствует принципам ACID (атомарность, согласованность, изолированность, долговечность), которые обычно требуются для основных БД проекта. Это означает, что Redis менее защищен от потери данных или повреждений, чем реляционные СУБД, и поэтому его редко используют в качестве основной базы данных.

Отличия от Memcached

Сравнивая Redis с хранилищем Memcached, можно выделить несколько ключевых различий. Memcached появился на 6 лет раньше “Рэдис”, но его возраст также означает ограничения.

Основными ограничениями Memcached являются отсутствие поддержки продвинутых структур данных, отсутствие снапшотов, репликации, ограничения в поддержке некоторых типов данных, таких как геоданные, и другие ограничения.

С другой стороны, Memcached является многопоточным хранилищем, в то время как “Рэдис” — нет. Это даёт Memcached некоторые преимущества в производительности. Однако наличие расширенных возможностей работы с данными делает Redis предпочтительным выбором для большинства проектов по сравнению с Memcached.

Виды конфигураций и компонентов

Существует несколько способов развертывания Redis DB, и давайте рассмотрим основные варианты настроек или конфигураций “Рэдис”.

Единственный экземпляр Redis Database

Использование единственного экземпляра Redis Database подходит для сценариев, где требуется хранить ограниченный объем данных, например, небольшую БД для приложения. Развертывание “Рэдис”в таком случае может быть полезным для создания кэширования, что может улучшить производительность приложения. Обычно Redis разворачивают на том же сервере или мощностях, что и само приложение, если ресурсы позволяют.

Следует отметить, что у этого подхода есть свои недостатки. Одним из них является снижение отказоустойчивости системы, особенно если отсутствует реляционная база данных в дополнение к “Рэдис”. Это означает, что при возникновении проблем с Redis Database доступ к приложению может стать затруднительным.

Redis HA

Redis HA (High Availability) представляет собой конфигурацию Redis, ориентированную на повышение доступности системы. В этой схеме используются два или более узла: один из них выступает как главный (мастер), а остальные — в роли подчиненных (слейвов). Синхронизация между этими узлами осуществляется с помощью механизма репликации данных.

Такая система обеспечивает значительно более высокую отказоустойчивость по сравнению с ситуацией, где используется только одна БД “Рэдис”. Это происходит потому, что в случае с Redis HA отсутствует единая точка отказа, которая могла бы вызвать сбой всей системы, как это может произойти в случае одиночной базы данных.

В случае сбоев Redis HA быстро реагирует на них, включая автоматическое обнаружение сбоев и механизмы восстановления системы. Это позволяет быстро восстановить работоспособность. Кроме того, благодаря использованию надежных каналов связи, уменьшается вероятность потери данных в случае сбоя.

Репликация данных в БД Redis

Репликация данных в БД “Рэдис” представляет собой процесс копирования информации, который выполняется для всех узлов в системе. Это действие значительно снижает риски потери данных, так как каждый узел имеет копию данных.

Кроме того, репликация способствует повышению производительности и скорости работы службы, так как реплицированные данные доступны для чтения с любого узла в системе.

Redis Sentinel

Redis Sentinel — это сервис, впервые появившийся в СУБД Redis начиная с версии 2.4. Он создан для управления распределенными системами и мониторинга состояния узлов в таких системах. Это полезное решение, когда требуется репликация данных, но отсутствует полноценный кластер с надежными связями между узлами. Sentinel выполняет роль связующего звена в таких случаях.

Процессы Sentinel запускаются автоматически, когда возникают проблемы с связью между узлами. Кроме того, узлы Sentinel выполняют другие функции, такие как автоматическое восстановление сервиса после сбоев, отправка уведомлений о состоянии узлов, а также конфигурирование системы. Они сообщают о том, какой экземпляр “Рэдис” в данный момент является главным (мастером), что помогает поддерживать работоспособность и надежность системы.

Redis Cluster

Redis Cluster — это функциональность, которая была добавлена в Redis начиная с версии 3.0, и она предназначена для горизонтального масштабирования системы. В этой схеме нагрузка равномерно распределяется по всем узлам хранилища. Основной принцип Redis Cluster заключается в создании нескольких главных (мастер) и нескольких подчиненных (слейв) узлов, а данные равномерно распределяются между всеми узлами кластера. Для мониторинга состояния кластера обычно используется протокол Gossip.

Одной из ключевых особенностей “Рэдис Кластер” является его механизм работы, который отличается от применяемого в схемах высокой доступности (HA) и Sentinel. Вместо репликации данных, Redis Cluster использует шардинг, или шардирование. Этот процесс включает в себя разделение данных на сегменты, которые равномерно распределяются по узлам кластера. Это позволяет снизить нагрузку на хранилище и обеспечить более эффективное масштабирование системы.

Протокол Gossip

Протокол Gossip — это механизм, который используется для отслеживания состояния узлов в системе, особенно в контексте работы с шардингом. Если один из главных узлов перестает отвечать на запросы, протокол Gossip информирует остальные узлы о его состоянии и передает его функции одному из подчиненных узлов.

Это позволяет системе быстро реагировать на сбои и автоматически восстанавливать работоспособность, что существенно повышает ее отказоустойчивость.

Какие модели резервирования данных поддерживаются

Существует несколько моделей резервирования данных для “Рэдис”, которые пользователи рекомендуют использовать как бэкапы данных в производственной среде, а также встроенные инструменты и методы резервирования в БД. Вот три основные модели резервирования:

Файлы RDB (Redis DataBase)

Эта модель предполагает создание снимков состояния хранилища Redis, которые делаются регулярно в заданные временные интервалы, настраиваемые в конфигурации. Основной недостаток этой схемы заключается в том, что если сбой “Рэдис” произойдет между созданием снимков, то сведения, накопленные в этом интервале, могут быть потеряны.

Файлы AOF (Append Only File)

Этот метод представляет собой более надежный способ резервирования данных, так как файлы AOF представляют собой независимые журналы, записывающие команды для восстановления информации. По умолчанию Redis записывает данные на диск каждую секунду, что минимизирует потерю информации в случае сбоев.

Комбинирование RDB и AOF

Это самое надежное решение, где используются обе модели резервирования данных. Однако в обмен на стабильность может потребоваться некоторое снижение производительности. Также следует учесть, что при перезагрузке “Рэдис” будет использовать файлы AOF.

Каждая из этих моделей имеет свои преимущества и недостатки, и выбор зависит от конкретных требований к сохранности данных и производительности системы.

Какие типы данных поддерживаются

Redis поддерживает разнообразные типы данных которые могут быть использованы в зависимости от конкретных потребностей.

В списке ниже собраны основные из них, которые поддерживает “Рэдис”:

• Строки. Redis может хранить данные в виде текста или двоичного кода, и максимальный размер строки составляет 512 МБ.
• Битовые массивы и поля. Эти типы позволяют выполнять побитовые операции, что полезно для работы с флагами и битовыми данными.
• Хеш-таблицы. “Рэдис” предоставляет хеш-таблицы, в которых можно хранить списки полей и соответствующих им значений.
• Списки. Redis поддерживает списки, которые представляют собой упорядоченные коллекции строковых значений. Это может быть полезно, например, для реализации очередей задач.
• Множества. “Рэдис” позволяет работать с множествами, включая упорядоченные множества, что удобно для хранения уникальных элементов и выполнения операций над ними.
• Потоки. Этот тип предназначен для хранения информации из логов и журналов событий, что полезно для мониторинга и анализа приложений.
• Геоданные. Redis поддерживает работу с географическими координатами, что может быть полезно для приложений, связанных с местоположением.
• HyperLogLog. Этот тип используется для оценки вероятностей наличия определенных элементов в наборах данных, что полезно для анализа уникальных значений.

Каждый из этих типов данных имеет свои особенности и применение, и “Рэдис” предоставляет богатый набор команд для работы с ними, что делает его мощным инструментом для различных задач хранения и обработки данных.

Помимо этого представлены и другие, более продвинутые функции СУБД, которые мы рассмотрим далее в этом разделе.

Команды

В “Рэдис” доступны команды для работы с разными типами данных, о которых упоминалось выше. Эти команды обычно просты и состоят из одного или двух слов. К каждой команде имеется описание и руководство в официальной документации Redis. Например, команда HGET используется для извлечения сведений из хеш-таблицы.

127.0.0.1:6379> HGET person1 name
«Aleksey»

А команда EXEC выполняет все запросы, находящиеся в очереди команд.

127.0.0.1:6379> MULTI
OK
127.0.0.1:6379> INCR counter1
QUEUED
127.0.0.1:6379> INCR counter1
QUEUED
127.0.0.1:6379> DECR counter2
QUEUED
127.0.0.1:6379> EXEC
1) (integer) 1
2) (integer) 2
3) (integer) -1

Транзакции

Транзакция в управлении базами данных представляет собой последовательный набор операций, который либо выполняется полностью, либо не выполняется вовсе. В “Рэдис” также есть поддержка транзакций, но стоит отметить, что существует некоторое исключение: если одна из команд внутри транзакции не выполнится, остальные команды все равно могут быть выполнены.

Это может привести к нарушению целостности информации, например, часть данных может быть записана, а другая часть нет, что оставит информацию в несогласованном состоянии.

Подписки

Redis также предоставляет интересную функциональность подписок. Один клиент может создать канал, а другие клиенты могут подписаться на этот канал и получать сообщения, которые отправляются в этот канал. Это может быть использовано для уведомлений о событиях или для создания чатов, где один канал может иметь множество подписчиков.

Важно отметить, что механизм подписок не гарантирует, что каждый подписчик получит каждое сообщение, и он не контролирует, кто именно будет читать эти сообщения.

На каких языках пишут

“Рэдис” обеспечивает поддержку практически всех распространенных языков программирования. Среди поддерживаемых языков можно назвать:

• Python;
• Golang;
• различные языки из семейства C (например, C++, C#);
• Java;
• Ruby;
• Perl;
• PHP;
• JavaScript.

Это означает, что разработчики могут интегрировать Redis в свои приложения и использовать его функциональность на различных платформах и в различных языках программирования.

Преимущества

“Рэдис” имеет ряд преимуществ, которые сделали его популярным среди разработчиков:

• Высокая скорость. Redis славится своей невероятной скоростью работы, что делает его привлекательным для задач, где быстродействие играет решающую роль.
• Производительность. “Рэдис” способен обрабатывать огромное количество запросов в секунду, что делает его идеальным для высоконагруженных приложений.
• Реализация паттерна «издатель-подписчик» через механизм подписок. Redis позволяет создавать системы, где одни клиенты могут публиковать сообщения, а другие подписываться на эти сообщения, что полезно для создания уведомлений и событийных систем.
• Работа с разными структурами. “Рэдис” поддерживает разнообразные структуры данных, такие как строки, списки, хеш-таблицы и другие, что предоставляет разработчикам большую гибкость при разработке приложений.
• Поддержка репликации и шардирования. Redis позволяет создавать распределенные системы и масштабировать их, обеспечивая отказоустойчивость и более эффективное использование ресурсов.
• Возможность создания «снимков» БД и обеспечение персистентности. “Рэдис” позволяет сохранять состояние информации на диск, обеспечивая сохранность данных даже при перезапуске системы.

Многообразие конфигураций: Redis может быть настроен для работы как в маленьких приложениях, так и в крупных системах, что делает его универсальным решением для различных задач и масштабов.

Недостатки

“Рэдис” также имеет свои недостатки:

• Необходимость выбора между скоростью и надежностью. “Рэдис” предоставляет опцию персистентности данных, чтобы обеспечить сохранность информации, но это может снижать производительность системы. Разработчики должны выбирать между скоростью и надежностью в зависимости от конкретных требований приложения.
• Проблемы с долгосрочной записью на диск. Поскольку Redis в основном хранит данные в оперативной памяти, при создании «снимка» БД он может потерять часть информации. Это может быть проблемой для задач, где требуется полная сохранность данных.
• Дороговизна хранения. Хранение данных в оперативной памяти более затратно и ресурсоемко, чем на жестком диске. Кроме того, существуют ограничения на размер хранилища данных в оперативной памяти, что может ограничивать объем информации, который можно хранить в “Рэдис”.

Важно понимать эти недостатки и учитывать их при выборе Redis для конкретных задач и сценариев использования.

Как начать пользоваться

Для начала использования Redis можно просто развернуть отдельный экземпляр БД в контейнере Docker. В этом контейнере можно запустить консоль “Рэдис” и начать практиковаться в отправке запросов, редактировании данных и их обработке. Для этого необходимо иметь базовое представление о том, как работают контейнеры и как разворачивать программы в них. Основные концепции можно освоить довольно легко.

Заключение

Redis представляет собой мощную и гибкую систему управления БД, которая стала неотъемлемой частью множества приложений и сервисов. Его способность работать с различными типами данных, выдающаяся производительность и возможность создания распределенных систем делают его весьма привлекательным выбором для разработчиков.

Однако, как и любая технология, “Рэдис” имеет как свои преимущества, так и недостатки. Среди них стоит выделить ограничения в долгосрочной записи на диск и необходимость выбирать между скоростью и надежностью. Эти аспекты требуют внимательного рассмотрения при выборе Redis для конкретных задач.

В целом, “Рэдис” представляет собой мощное и гибкое решение для управления данными, и его способность ускорить процессы и обеспечить масштабируемость делают его важным инструментом для многих проектов и приложений.