Redis：核心原理、应用场景与性能优化全指南

一、Redis核心架构设计解析

1.1 内存数据结构存储引擎

Redis基于自定义的redisObject结构体实现多态存储，其核心结构定义如下（redis.h源码）：

typedef struct redisObject {
    unsigned type:4;        // 数据类型（STRING/LIST/HASH等）
    unsigned encoding:4;    // 编码方式（int/embstr/raw等）
    unsigned lru:LRU_BITS;  // LRU时间或LFU计数
    int refcount;           // 引用计数
    void *ptr;              // 数据指针
} robj;

编码方式随数据规模动态调整的典型场景：

• String类型：
  • REDIS_ENCODING_INT：64位有符号整数
  • REDIS_ENCODING_EMBSTR：<=44字节的短字符串
  • REDIS_ENCODING_RAW：长字符串

1.2 单线程事件循环模型

Redis采用Reactor模式实现网络IO处理，事件循环核心逻辑：

void aeMain(aeEventLoop *eventLoop) {
    eventLoop->stop = 0;
    while (!eventLoop->stop) {
        if (eventLoop->beforesleep != NULL)
            eventLoop->beforesleep(eventLoop);
        aeProcessEvents(eventLoop, AE_ALL_EVENTS);
    }
}

性能测试对比（Redis 7.0，16核CPU，10万次操作）：

redis-benchmark -n 100000 -t set,get -q
SET: 128205.13 requests per second
GET: 130890.05 requests per second

二、Redis典型应用场景实现

2.1 分布式会话存储方案

Spring Session集成配置示例：

@Configuration
@EnableRedisHttpSession
public class SessionConfig {
    @Bean
    public LettuceConnectionFactory connectionFactory() {
        return new LettuceConnectionFactory(
            new RedisStandaloneConfiguration("redis-host", 6379));
    }
}

会话存储结构：

HSET session:abc123 
    "creationTime" "1689234567"
    "maxInactiveInterval" "1800"
    "lastAccessedTime" "1689234800"
    "attributes" "{'userName':'john', 'role':'admin'}"

2.2 实时排行榜实现

使用Sorted Set实现电竞比赛排名：

import redis

r = redis.Redis(host='localhost', port=6379)

# 更新选手分数
r.zadd('esports:rank', {'player1': 1500, 'player2': 1450, 'player3': 1600})

# 获取前三名
top3 = r.zrevrange('esports:rank', 0, 2, withscores=True)
print(f"冠军：{top3[0][0].decode()} 积分：{top3[0][1]}")

三、持久化机制深度对比

3.1 RDB持久化配置示例

redis.conf关键配置：

save 900 1       # 15分钟至少1个变更
save 300 10      # 5分钟至少10个变更
save 60 10000    # 1分钟至少10000个变更

rdbcompression yes           # 启用LZF压缩
rdbchecksum yes              # 校验和验证
dbfilename dump.rdb          # 持久化文件名

手动执行BGSAVE：

redis-cli bgsave

3.2 AOF重写过程解析

AOF重写触发条件：

• 配置触发：auto-aof-rewrite-percentage 100（增长100%触发）
• 手动触发：BGREWRITEAOF命令

重写过程示意图：

+----------------+     fork()      +----------------+
| Redis 主进程    | --------------> | 重写子进程      |
| 处理客户端请求  |                 | 遍历数据库生成 |
| 维护AOF缓冲区   | <-------------  | 新AOF文件      |
+----------------+     IPC通信     +----------------+

四、集群方案选型指南

4.1 Redis Cluster分片原理

槽位分配算法：

def slot_number(key):
    crc = crc16(key)
    return crc % 16384

集群节点信息示例：

127.0.0.1:7000> CLUSTER NODES
d1861060fe6a534d42... 127.0.0.1:7001@17001 master - 0 1689234000000 2 connected 5461-10922

4.2 Sentinel高可用配置

sentinel.conf典型配置：

sentinel monitor mymaster 127.0.0.1 6379 2
sentinel down-after-milliseconds mymaster 5000
sentinel failover-timeout mymaster 60000
sentinel parallel-syncs mymaster 1

故障转移流程：

1. 主观下线检测
2. 客观下线确认
3. 选举Leader Sentinel
4. 故障转移执行

五、性能优化实战技巧

5.1 内存优化策略

使用jemalloc内存分配器：

# 启动时指定
redis-server --malloc-lib /usr/lib/libjemalloc.so

内存分析工具使用：

127.0.0.1:6379> MEMORY USAGE user:1001
(integer) 3245
127.0.0.1:6379> MEMORY STATS
1) "peak.allocated" 
2) (integer) 1024000

5.2 延迟问题诊断

慢查询日志配置：

slowlog-log-slower-than 10000  # 记录超过10ms的查询
slowlog-max-len 128           # 最多保存128条记录

诊断命令示例：

127.0.0.1:6379> SLOWLOG GET 5
1) 1) (integer) 14            # 日志ID
   2) (integer) 1689234567    # 时间戳
   3) (integer) 15234         # 执行时间(微秒)
   4) 1) "KEYS"               # 命令
      2) "*"

六、安全加固方案

6.1 访问控制配置

启用认证：

requirepass YourSecurePassword123!

危险命令禁用：

rename-command FLUSHDB ""
rename-command CONFIG ""

6.2 TLS加密通信

生成证书示例：

openssl genrsa -out redis.key 2048
openssl req -new -x509 -key redis.key -out redis.crt -days 365

redis.conf配置：

tls-port 6379
tls-cert-file redis.crt
tls-key-file redis.key