第4章 Redis核心技术解析

原理、数据类型与数据操作 (纯理论篇)

面向大数据工程技术专业 · 理论精讲

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Redis 概述与优势

认识这位“内存极速跑者”及四大特性

核心应用场景

会话、缓存、队列与排序

Redis vs MongoDB

两大NoSQL巨头大比拼

五大数据类型

掌握Redis的“收纳魔法”

4.1 Redis 概述

在敲代码之前，先来认识它的“灵魂”

什么是 Redis？

官方定义

Redis 是一个开源的、基于内存运行的 Key-Value (键值对) NoSQL 数据库。

NoSQL： Not Only SQL，非关系型数据库（没有表结构）。
Key-Value： 像查字典一样，通过名字(Key)找内容(Value)。

通俗理解

如果把我们之前学的 MySQL 数据库比作电脑的“机械硬盘”，容量大但找东西慢；

那么 Redis 就是电脑的“内存条”，容量有限，但速度快到飞起！

名字的由来

REmote DIctionary Server

翻译过来就是：远程字典服务器

想象一本放在网络上的超级字典，大家都可以用极快的速度去翻阅它。

Redis 的四大核心优点 (1/4)

1. 读写性能极高

Redis 是单机性能的天花板之一。

读速度： 最高可达 110,000 次/秒。
写速度： 最高可达 81,000 次/秒。

原因：完全基于内存操作，且使用单线程避免了上下文切换的损耗。

相当于一秒钟能翻完一整本新华字典！

Redis 的四大核心优点 (2/4)

2. 数据类型极其丰富

相比于其他简单的键值数据库（如 Memcached 只能存字符串），Redis 是一个“收纳大师”。

支持 String (字符串)
支持 List (列表/队列)
支持 Hash (哈希/对象)
支持 Set (无序集合)
支持 ZSet (有序集合)

Redis 的四大核心优点 (3/4)

3. 具有“原子性”

什么是原子性？

“原子”在物理学中意为不可再分的最小单位。在计算机中，意思是一个操作要么彻底完成，要么完全不执行，绝不会停在中间状态。

生活比喻：
就像在食堂打饭排队，队伍是单行的。一旦轮到你，阿姨给你打饭的过程是连贯的，不会有人在中途插队打断她。

为什么原子性很重要？

假设双十一抢购，商品只剩 1 件，1000 个人同时点击“购买”。

因为 Redis 的操作是单线程排队的且具有原子性，系统绝对不会算错账把这 1 件商品卖给 2 个人（超卖现象）。

Redis 的四大核心优点 (4/4)

4. 支持丰富的个性化功能

除了当数据库用，Redis 还自带了很多“插件”功能：

发布与订阅

类似微信公众号，一个端发送消息，所有订阅的端都能立刻收到（常用于聊天室）。

持久化机制

虽然在内存运行，但它能定期把数据悄悄写到硬盘上，断电也不怕数据全丢。

地理位置计算

自带 Geospatial 功能，能瞬间算出两个经纬度之间的距离（如：附近的人）。

Redis 的四大经典应用场景

既然这么厉害，企业都在拿它干什么？

场景一：会话缓存 (Session Cache)

用户登录状态需要频繁读取，存在 MySQL 太慢，存在单台服务器上又无法实现分布式共享。

什么是会话？

就像你进入酒店办入住后拿到的房卡。你在酒店的各个设施游玩，刷房卡系统就知道是你。

为什么用 Redis？

大型网站有多台服务器，如果把房卡信息存在 Redis 这个统一的内存中心，用户无论访问哪台服务器，都能极速验证身份，且退出登录时能瞬间清空。

场景二：全页缓存 (FPC)

应对“双十一”级别的流量

有些网页非常复杂（比如淘宝首页），要从数据库里查商品、查推荐、查价格，拼装成一个完整的网页需要很久。

解决方案： 把拼装好的整个网页 HTML 代码，或者复杂的查询结果 JSON 字符串，直接塞进 Redis。

效果： 下一个用户再访问，直接从 Redis 内存里把这个页面“端”出来，速度提升百倍！

挡在 MySQL 前面的“盾牌”

90% 的查询请求都在 Redis 这里被拦截并直接返回了，保护了脆弱的 MySQL 数据库不被压垮。

场景三：消息队列 (Queues)

缓冲突发的请求

利用 List 列表特性

网站注册时，经常需要发送“激活邮件”或者“短信验证码”。这种操作很慢，如果让用户在网页上干等，体验极差。

做法：
把发送邮件的任务当成一个数据，塞进 Redis 的列表（队列）里。然后立刻告诉用户“注册成功”。

后台会有另一个程序，慢慢从 Redis 队列里把任务一个个拿出来去发邮件。这就叫“异步排队”。

场景四：计数与排序

海量高并发的计数

抖音热门视频，每秒钟可能有上千人同时点赞。

如果用关系型数据库，很容易锁死。Redis 利用其原子性的 INCR 命令，能在内存中轻松完成每秒数万次的加减法，绝不出错。

实时排行榜

Redis 独有的 ZSet (有序集合) 数据类型，天生就是为了排行榜而生的。

例如：游戏全服战力排行榜、微博热搜榜。只要把分数和名字扔给它，它永远在底层自动帮你排好序，查询第一名和第一万名速度一样快。

补充：Redis 不能做什么？

Redis 不是万能的，它也有自己的“软肋”

海量冷数据存储

内存非常昂贵！如果把几TB的历史聊天记录、日志文件存进Redis，老板会破产的。海量普通数据还是得靠硬盘。

复杂的关系查询

Redis没有表，没有主外键。无法执行类似 MySQL 中 JOIN 这种多表相互关联的复杂查询操作。

拓展：两大 NoSQL 巨头的大比拼

Redis

VS

MongoDB

先认识一下对手：MongoDB

什么是 MongoDB？

它也是一个 NoSQL（非关系型）数据库。但它的定位是“文档型数据库”。

生活比喻：

如果说 Redis 是一个用来放高频使用物品的“桌面”，那么 MongoDB 就是一个极其灵活的大号文件柜。

在这个文件柜里，你可以随便塞各种格式的纸张（JSON文档），不需要像 MySQL 那样必须提前规划好严格的表格(Schema)。

对比维度一：数据模型 (存什么格式)

Redis：键值对模型

严格的 Key-Value。
无论你存的是字符串、列表还是集合，你永远只能通过 Key 去找到这个整体的 Value。

例如：找 key="user:1" 的值。

MongoDB：文档模型

存的是类似 JSON 的复杂文档。
文档里面可以嵌套文档、数组。而且你可以针对文档内部的某个小字段进行深度查询！

例如：查出所有“年龄大于20岁且城市在北京”的用户文档。

对比维度二：存储介质与速度

Redis：主打内存

数据主力放在内存中。
速度极快（微秒级），但断电易失，受限于服务器的内存条容量，成本非常高昂。

MongoDB：主打磁盘

数据主力存在硬盘上（通过内存映射加速）。
速度比 MySQL 快，但比 Redis 慢得多（毫秒级）。优势是能存海量数据（TB级），成本低。

对比总结：我们该怎么选？

在企业中，它们往往不是敌人，而是战友。

选择 Redis 的情况：

数据量不大，但读写极其频繁。
做前置缓存，保护后端数据库。
需要做排行榜、计数器、消息队列。
对延迟要求苛刻（毫秒以内必须返回）。

选择 MongoDB 的情况：

数据量极大，内存装不下。
数据结构经常变动（无固定表结构）。
需要存储大量复杂结构的数据（如：用户评论、商品爬虫数据）。
需要通过各种字段进行条件检索。

4.3 Redis 基本命令

开始与 Redis 对话：指令就是我们的语言

通信测试：你在吗？

PING 命令

当我们在电脑上安装好客户端并连接后，第一件事应该是检查服务端是否活着，网络通不通。

这就像是在暗号对接：

你发送：PING
Redis回应：PONG

127.0.0.1:6379> ping

PONG

※ 注：如果网络不通或服务未开启，这里会直接报错提示连接被拒绝。

库的切换：Redis 的 16 个房间

和 MySQL 可以自由创建 CREATE DATABASE db_name 不同，Redis 库是固定且预先创建好的。

默认自带 16 个数据库。
编号从 0 到 15。
客户端连上后，默认待在 0号库。
所有库共享Redis的内存，只是做了逻辑隔离。

SELECT 命令

用于在不同的数据库之间切换。

语法： SELECT 编号

              127.0.0.1:6379> select 1

              OK

              127.0.0.1:6379[1]> // 注意提示符变了，多了一个[1]

关于键(Key)的操作：查与看

不管数据存的是什么格式，Redis 永远是通过 Key 来找数据的。因此对 Key 的操作是基础中的基础。

1. 查看所有的 Key

命令： KEYS *

作用：列出当前库里的所有键名字。

⚠️ 警告：企业生产环境中严禁使用该命令！数据量大时会导致 Redis 假死（因为它是单线程排队的）。

2. 判断 Key 是否存在

命令： EXISTS 键名

作用：如果存在返回1，不存在返回0。

这个命令非常常用，在查询前先判断一下有没有这个数据，防止报错。

关于键(Key)的操作：删与类

3. 删除某个 Key

命令： DEL 键名

作用：将指定的 Key 连同它的 Value 一起从内存中彻底删除。如果删除成功返回1，不存在返回0。

4. 查看 Key 的数据类型

命令： TYPE 键名

作用：由于 Redis 里的值有五大类型，当我们忘记某个键存的是什么格式时，可以用此命令探测（返回 string, list, set, zset 或 hash）。

生命倒计时：最关键的过期策略

既然 Redis 是当“缓存”用的，而内存是有限的，就不能让数据永远占着茅坑不拉屎。必须给数据设定生命周期。

设置过期时间

EXPIRE 键名秒数

给已经存在的 Key 设置一个倒计时，时间一到，Redis 会自动把它“杀死”（删除）。

查看剩余时间

TTL 键名

TTL = Time To Live。返回剩余存活的秒数。

返回 -1：永久存在
返回 -2：已过期/不存在

现实场景

手机验证码

收到短信验证码提示“5分钟内有效”，底层其实就是执行了 EXPIRE code 300。

4.4 支持的数据类型

Redis 的“收纳魔法”：五大经典数据结构

String, Hash, List, Set, ZSet

Redis 五大基本数据类型全景

注意：所谓的“类型”，其实都是指 Value（值） 的类型，Key 永远是字符串！

String

字符串

Hash

哈希/对象

List

列表/队列

Set

无序集合

ZSet

有序集合

4.4.1 String (字符串) - 概念

String 是 Redis 最基础、最常用 的数据类型。

比喻：一个贴了标签的纸盒子

标签的名字就是 Key。
盒子里面装的唯一物品就是 Value。
这件物品可以是：一段普通文本、一个数字、甚至是一张图片的二进制流。
规定：一个盒子最大只能装 512MB 的东西。

Key: "username"

"ZhangSan"

String - 基础读写

写入数据：SET

语法： SET key value

如果 Key 已经存在，则会覆盖原来的值。

              127.0.0.1:6379> SET name "Tom"

              OK

              127.0.0.1:6379> SET age 20

              OK

读取数据：GET

语法： GET key

如果 Key 不存在，则返回 nil（表示空）。

              127.0.0.1:6379> GET name

              "Tom"

              127.0.0.1:6379> GET money

              (nil)

String - 批量与自增

批量操作：MSET / MGET

嫌一条条写太慢？使用 M (Multiple) 指令。

MSET k1 v1 k2 v2
MGET k1 k2 k3

一次网络请求搞定多个数据，极大地提升效率。

数字自增减：INCR / DECR

如果字符串里存的是纯数字，可以使用自增命令。

INCR key：数值加 1
DECR key：数值减 1

这就是前面提到的“原子操作”，高并发下绝对不会算错（比如1000个人同时点赞）！

String - 典型应用场景

常规数据缓存

把数据库中查询出来的文章详情、商品信息转成 JSON 字符串，存入 Redis。下次用户访问直接从内存读，极大减轻 MySQL 压力。

计数器系统

利用 INCR 命令。比如贴吧的帖子浏览量、点赞数、或者限制某个API的一分钟访问次数（防刷防爬虫）。

短信验证码

将手机号作为 Key，验证码作为 Value，配合 EXPIRE 设置 5 分钟过期时间，实现完美闭环。

4.4.2 Hash (哈希) - 概念

如果说 String 是一个装了一样东西的纸盒子，那 Hash 就是一个带有很多抽屉的文件夹。

本质：键值对的集合

一个 Hash 的 Key 代表这个大文件夹的名字（比如：user:1001）。
文件夹里面又分了很多“字段”(Field)和“值”(Value)。
最适合存储“对象”（如一个人的姓名、年龄、性别）。

Key: "user:1001"

字段 (Field)	值 (Value)
name	"张三"
age	20
city	"北京"

Hash - 基本命令

存/取单个字段：HSET / HGET

在指定的哈希表里操作具体字段。

HSET key field value
HGET key field

              127.0.0.1:6379> HSET user:1 name "Tom"

              (integer) 1

              127.0.0.1:6379> HGET user:1 name

              "Tom"

获取全部/删除：HGETALL / HDEL

一次性取出全部字段和值，或删除指定字段。

HGETALL key
HDEL key field

              127.0.0.1:6379> HGETALL user:1

              1) "name"

              2) "Tom"

              3) "age"

              4) "20"

4.4.3 List (列表) - 概念

List 是一个简单的字符串列表，按照插入顺序排序。

比喻：一根两端开口的管子

你可以从左边（Left）往里塞球。
也可以从右边（Right）往里塞球。
可以包含重复的元素。
底层结构：实际上是一个双向链表。对两端的操作极快，但查询中间的元素较慢。

[ L : 左端 ] [ R : 右端 ]

想象排队买票：有人从前面插队，有人从后面排队。

List - 基本推入与弹出

塞入数据：LPUSH / RPUSH

LPUSH key value：从左侧（头部）塞入
RPUSH key value：从右侧（尾部）塞入

              // 依次把 1, 2 放入左侧

              127.0.0.1:6379> LPUSH list1 1 2

              (integer) 2

              // 此时管子里的顺序是：[2, 1]

取出并删除：LPOP / RPOP

LPOP key：从左侧吐出一个并删除
RPOP key：从右侧吐出一个并删除

注意：POP操作就像把球拿走了，管子里就没这个球了！如果管子空了，连 Key 都会被系统自动删除。

List - 范围查看与应用

只看不删：LRANGE

如果我只想看看管子里有哪些数据，不拿走怎么办？

LRANGE key start stop
查全部：LRANGE key 0 -1

注：-1 代表列表的最后一个元素。

应用场景：简单的消息队列

利用一头进、另一头出的特性（FIFO 先进先出），非常适合处理前面提到过的发送邮件任务排队。

应用场景：最新动态浏览

利用 LPUSH 将最新的文章ID推入列表头部，用户总是使用 LRANGE 0 9 获取最新的10条动态（朋友圈、微博时间线）。

4.4.4 Set (集合) - 概念

Set 是一个无序且不重复的元素桶。

比喻：一个魔法收纳桶

你往里面扔相同的乒乓球，它会自动帮你把重复的变消失，保证桶里的每一个球都是独一无二的。且球在里面是打乱的，没有先后顺序。

与 List 的对比

List：有序，允许重复。
Set：无序，绝对不允许重复。

Set - 基本操作

添加与查看

SADD key value1 value2：往集合里加元素。如果加了重复的，会被自动忽略。
SMEMBERS key：查看集合里所有的元素（查出来的顺序可能是乱的）。

              127.0.0.1:6379> SADD myset a b c a

              (integer) 3 // 最后一个a重复了，没加进去

判断是否存在

SISMEMBER key value：判断某元素是否在集合内。存在返回1，不存在返回0。

这个命令速度极快，不管桶里有十万还是百万个球，瞬间就能告诉你某个球在不在里面。

Set - 典型应用：社交与标签

1. 标签系统 (Tags)

给用户打标签。一个用户不能有同一个标签两次。
例如：张三被打了 "程序员", "宅男", "游戏迷" 标签。用 Set 的去重特性来存再合适不过。

2. 社交“交集” (共同好友)

Set 支持强大的数学集合运算！

张三的好友集合：A, B, C
李四的好友集合：B, C, D
使用 SINTER (交集) 命令，瞬间算出他们的共同好友是 B, C。

4.4.5 ZSet (有序集合) - 概念

ZSet 全称 Sorted Set，是 Redis 中最特殊、也最有魅力的类型之一。

比喻：带有成绩的运动会报名表

它首先是一个 Set，保证了里面的成员（Member）绝对不重复。
但是，它给每个成员都强制绑定了一个分数（Score）。
Redis 会在底层根据这个分数，自动帮你把所有人从低到高排好队！

王者荣耀段位排行榜 (Key: "rank")

Member (玩家) Score (星星数)

玩家 A 80

玩家 B 65

玩家 C 12

内部永远保持按 Score 自动排序

ZSet - 基本操作

添加带分数的数据

ZADD key score member

              // 语法注意：分数在前，名字在后

              127.0.0.1:6379> ZADD rank 100 "Tom"

              (integer) 1

              127.0.0.1:6379> ZADD rank 90 "Jerry"

按排名范围查询

ZRANGE key start stop (从小到大排)
ZREVRANGE key start stop (从大到小排，Reverse)

例如：获取前三名，使用 ZREVRANGE rank 0 2 即可。

ZSet - 无敌的应用场景：排行榜

凡是遇到“榜单”，首选 ZSet！

• 微博热搜榜：将热度值作为 Score，话题作为 Member。
• 直播间送礼榜：将刷礼物的金额作为 Score，用户ID作为 Member。
• 学生成绩排名：将考试分数作为 Score，学号作为 Member。

本课理论大总结

Redis 身份：基于内存的 Key-Value 数据库，单线程、极速、原子性。
四大场景：会话统一管理、全页缓存抗压、队列异步排队、ZSet轻松排序。
键的操作：掌握 DEL, EXISTS, TYPE 以及最重要的 EXPIRE (设置过期)。
五大类型：String(纸盒), Hash(文件夹), List(管子), Set(去重桶), ZSet(排名表)。

理论课到此结束！

感谢大家的聆听

🚀 下节实验课预告：我们将进入机房，在电脑上实战敲击今天学过的所有命令！