Redis: что это за база данных и для чего нужна
Разработчики используют в проектах Redis (Remote Dictionary Server) — систему управления базами данных. Есть минимум две причины: легкая интеграция решения для проектов небольшого масштаба и работа без сложных таблиц и SQL-запросов. Рассказываем, как устроена Redis и на что способна.
Что такое Redis
Redis — нереляционная опенсорсная система управления БД, которая работает со структурами типа «ключ-значение» и хранит данные в оперативной памяти. Она может обращаться к данным напрямую по ключу без сложных запросов, как большинство других баз.
Как работает решение:
Клиент делает запрос к приложению, система ищет данные в кеше.
Если данные найдены, они сразу направляются клиенту.
Если данных в кеше нет, приложение обращается к основной базе данных, сохраняет результат в Redis и возвращает данные клиенту.
Полученная информация одновременно записывается в кеш Redis, чтобы при следующем запросе можно было не обращаться к базе данных.
Схема работы Redis
Функции и особенности Redis
Решение подходит для разных задач. Среди них:
Кеширование — хранение часто запрашиваемых данных в памяти для ускоренного доступа.
Управление сессиями — хранение информации о пользовательских сессиях для доступа в веб-приложениях.
Обработка очередей — управление задачами и очередями в распределенных решениях для асинхронной обработки.
Хранение — работа с информацией, которая требует немедленной обработки. Например, в чатах или системах мониторинга.
Публикация и подписка — организация обмена сообщениями и уведомлениями.
Хранение структур — поддержка разных типов данных. Например, строк, списков, множеств, хешей и упорядоченных множеств.
Личные очереди сообщений — использование для реализации брокеров сообщений.
Логирование и мониторинг — использование Redis для временного хранения логов и данных мониторинга.
Для чего и где используется Redis
Где решение полезно, чем помогает:
Высоконагруженные веб-приложения. Ускорение отклика за счет кеширования страниц и запросов к базам данных.
API и микросервисная архитектура. Хранение сессий и токенов, передача данных между сервисами.
Чаты, трекинговые приложения, онлайн-игры, торговые платформы. Обеспечение передачи сообщений.
Системы аналитики и мониторинга. Подсчет метрик, логирование, агрегация данных и построение статистики.
Системы очередей и фоновых задач. Управления задачами, обработкой событий и балансировкой нагрузки между рабочими процессами.
Платежные и биллинговые сервисы. Упрощение атомарных операций и синхронизация транзакций между сервисами.
Рекомендательные и рейтинговые сервисы. Хранение таблиц с результатами рейтингов и персонализированных рекомендаций.
Игровые платформы и социальные сети. Кеширование профилей пользователей, подсчет очков и лайков, работа с онлайн-статусами.
IoT-платформы. Обработка и временное хранение потоков данных от устройств.
ML и аналитические системы. Кеширование промежуточных результатов и ускорение вычислительных операций.
Сильные и слабые стороны Redis
Внедряя технологию, взвешивайте «за и против». Преимуществ у Redis много, но есть минусы, которые нужно учитывать.
Преимущества Redis
Сильные стороны:
Высокая производительность. Данные хранятся в оперативной памяти, поэтому запросы обрабатываются быстрее.
Простая архитектура. Система запускается и обслуживается только одна служба данных. Поэтому приложение также должно взаимодействовать с одним хранилищем данных, что означает только один программный интерфейс для этой службы данных.
Разнообразие структур данных. Поддерживаются строки, списки, множества, хеши, геообъекты.
Поддержка постоянства данных. Можно сохранять информацию на диск с помощью снапшотов (RDB) или журналов операций (AOF).
Репликация и кластеризация. Поддержка режима Master–Replica и распределенных кластеров для масштабирования и обеспечения отказоустойчивости.
Легкие установка и использование. Развертывание без специфических настроек.
Поддержка многих языков программирования. Предусмотрены клиентские библиотеки для большинства популярных языков.
Активное сообщество и регулярные обновления. Поддержка и наличие подробной документации для пользователей.
Недостатки Redis
Ограничения и слабые стороны Redis:
Немалая стоимость при больших объемах данных. Расходы возрастают в связи с тем, что данные хранятся в оперативной памяти.
Redis не поддерживает ACID (набор свойств, гарантирующих надежность транзакций: атомарность, согласованность, изолированность и долговечность). А потому не подходит для задач, требующих строгой гарантии целостности данных, и часто используется в паре с другими БД.
Возможность потери данных при сбоях. Есть такой риск, если не настроено регулярное сохранение на диск.
Нецелесообразность для постоянного хранения больших объемов данных. Redis подойдет в качестве вспомогательного хранилища или кеша.
Необходимость настройки кластеризации и репликации. Без этого не получится обеспечить отказоустойчивость.
Слабое обеспечение безопасности. Redis не располагает встроенными инструментами контроля доступа на уровне записей.
Архитектура Redis
Компоненты:
Сервер Redis (redis-server), который хранит данные в оперативной памяти.
Клиенты Redis — внешние приложения, которые подключаются через TCP и используют протокол RESP.
Хранилище данных — структура в памяти.
Система персистентности — механизмы сохранения информации на диск.
Теперь разберемся в возможных вариантах архитектуры.
Одиночный инстанс Redis
Распространенный способ развертывания Redis — одиночный инстанс (Single Instance). В этой архитектуре база данных работает на одном сервере.
Одиночный инстанс обеспечивает высокую скорость. Процесс обрабатывает операции чтения и записи с использованием однопоточной модели и неблокирующего ввода и вывода. Сложного администрирования здесь не требуется. Однако если сервер или процесс Redis выйдет из строя, база данных будет недоступна. Еще минус — объем хранимых данных ограничен объемом оперативной памяти сервера. Этого хватит для разработки или тестирования ПО.
Одиночный инстансРепликация Redis
Это механизм, который позволяет копировать данные с основного экземпляра Redis (Primary, Master) на другие экземпляры — реплики (Replicas).
Каждая реплика подключается к основному инстансу и получает полную копию данных. После первоначальной синхронизации репликация становится асинхронной. Основной инстанс отправляет репликам все выполняемые команды записи. Таким образом, данные на репликах почти полностью совпадают с данными на основном сервере.
Репликация гарантирует доступность и отказоустойчивость. Если главный инстанс выйдет из строя, одна из реплик может быть повышена до статуса главного сервера. Доступность обеспечивается с помощью Redis Sentinel, которая мониторит узлы Redis и при необходимости автоматически выполняет переключение на реплику.
Репликация RedisМасштабирование Redis
Для распределения нагрузки и увеличения объёма данных применяются два основных подхода:
Репликация (горизонтальное масштабирование для чтения) позволяет создать одну или несколько точных копий основного сервера (мастера). Реплики берут на себя чтение, разгружая мастер, и обеспечивают отказоустойчивость: при сбое основного узла одна из реплик может занять его место.
Шардирование (горизонтальное масштабирование) предполагает разделение данных между несколькими серверами Redis. Каждый шард (узел кластера) хранит и обрабатывает только свою часть данных, что позволяет распределить нагрузку как на запись, так и на чтение, а также преодолеть ограничение одного сервера по объёму оперативной памяти. Redis Cluster автоматически управляет распределением данных и обеспечивает высокую доступность.
На практике эти подходы часто комбинируются, когда каждый шард в кластере сам по себе является мастер-узлом с набором реплик.
Обеспечение скорости и надежности в Redis
Разберем механизмы, которые обеспечивают достаточную скорость работы баз данных.
Как Redis обеспечивает производительность
Главные механизмы:
Хранение данных в оперативной памяти, а не на диске. Доступ к RAM на порядок быстрее, чем к SSD или HDD. За счет этого операции чтения и записи выполняются мгновенно.
Однопоточная модель и цикл событий. Redis использует один поток вместо того, чтобы создавать отдельные на каждое клиентское соединение. События в потоке обрабатываются последовательно.
Неблокирующий ввод и вывод, мультиплексирование. Один поток может следить за многими соединениями. Как только данные в соединениях будут готовы, цикл событий Redis начинает обрабатывать их.
Продуманные структуры данных. Redis — это не только хранилище типа «ключ-значение». Система предоставляет специализированные, оптимизированные структуры данных, встроенные «из коробки».
Высокая производительность обеспечивается за счет того, что Redis комбинирует эти механизмы.
Модели постоянного хранения данных
Redis обеспечивает хранение данных с помощью двух моделей, которые помогают восстанавливать данные после перезапуска сервера, несмотря на работу в оперативной памяти.
Описание:
RDB (Redis Database) — механизм создания снимков (Snapshotting) состояния базы данных в определенный момент времени и сохранение их в сжатом бинарном файле на диске.
AOF (Append-Only File) — журнал команд (Journaling). Этот механизм сохраняет каждую команду, изменяющую данные в Redis, в специальный лог-файл.
Чтобы достичь баланса между производительностью и надежностью, можно использовать обе модели. Например, AOF-файл как главный способ восстановления данных, RDB-снимки — как дополнительный.
Начало работы с Redis
Чтобы начать работать, необходимо установить систему и разобраться в командах.
Как начать работу с Redis
Сначала нужно установить Redis. Способы для ОС:
Linux
macOS (с помощью Homebrew):
Windows:
Для Windows необходимо использовать Windows Subsystem for Linux (WSL) или версию для Windows от Microsoft, поскольку Redis официально не поддерживается на этой ОС.
После установки Redis можно запустить сервер с помощью следующей команды:
В новом терминале запустите клиент Redis для взаимодействия с сервером:
Чтобы проверить, что Redis корректно работает, выполните команду:
Если сервер работает, получите ответ:
Для остановки Redis сервера используйте:
Команды Redis
Для удобства распространенные команды собрали в таблицу.
Команда | Описание | Пример использования |
SET | Устанавливает значение по ключу | SET mykey "Hello, Redis!" |
GET | Получает значение по ключу | GET mykey |
DEL | Удаляет ключ | DEL mykey |
EXPIRE | Устанавливает время жизни ключа | EXPIRE mykey 60 |
INCR | Увеличивает значение целочисленного ключа на 1 | INCR counter |
LPUSH | Добавляет элемент в начало списка | LPUSH mylist "item1" |
LRANGE | Получает элементы из списка | LRANGE mylist 0 -1 |
HSET | Устанавливает значение в хеш | HSET user:1000 name "John" age 30 |
HGET | Получает значение из хеша | HGET user:1000 name |
ZADD | Добавляет элемент в отсортированное множество | ZADD myzset 1 "member1" |
ZREVRANGE | Получает элементы из отсортированного множества в убывающем порядке | ZREVRANGE myzset 0 -1 |
MSET | Устанавливает несколько ключей и значений за один раз | MSET key1 "value1" key2 "value2" |
MGET | Получает значения по ключам | MGET key1 key2 |
SMEMBERS | Получает элементы множества | SMEMBERS myset |
SREM | Удаляет элементы из множества | SREM myset "element1" |
FLUSHDB | Очищает текущую базу | FLUSHDB |
FLUSHALL | Очищает базы данных | FLUSHALL |
PING | Проверяет соединение с сервером Redis | PING |
INFO | Выводит информацию о состоянии Redis | INFO |
Клиенты Redis для популярных языков программирования
Представляем краткий обзор доступных клиентов и библиотек для интеграции Redis с разными языками программирования.
Язык | Установка | Пример использования |
Python | pip install redis | import redis r = redis.Redis(host='localhost', port=6379, db=0) r.set('mykey', 'Hello, Redis!') print(r.get('mykey')) |
Node.js | npm install ioredis | const Redis = require('ioredis'); const redis = new Redis(); redis.set('mykey', 'Hello, Redis!'); redis.get('mykey', (err, result) => { console.log(result); // "Hello, Redis!" }); |
Java | Установка через Maven: redis.clients jedis 3.6.1 | import redis.clients.jedis.Jedis; public class RedisExample { public static void main(String[] args) { Jedis jedis = new Jedis("localhost"); jedis.set("mykey", "Hello, Redis!"); System.out.println(jedis.get("mykey")); } } |
Go | go get github.com/go-redis/redis/v8 | package main import ( "context" "fmt" "github.com/go-redis/redis/v8" ) var ctx = context.Background() func main() { rdb := redis.NewClient(&redis.Options{ Addr: "localhost:6379", }) err := rdb.Set(ctx, "mykey", "Hello, Redis!", 0).Err() if err != nil { panic(err) } val, err := rdb.Get(ctx, "mykey").Result() if err != nil { panic(err) } fmt.Println(val) // Output: Hello, Redis! } |
PHP | composer require predis | require "vendor/autoload.php"; $client = new Predis\Client(); $client->set('mykey', 'Hello, Redis!'); echo $client->get('mykey'); |
Сравнение Redis с другими решениями
В таблице сравнили Redis с Memcached и MongoDB.
Характеристика | Redis | Memcached | MongoDB |
Тип | Хранилище в памяти (ключ-значение) | Кеширование в памяти (ключ-значение) | Документоориентированная БД |
Тип данных | • строки • списки• множества • хеши • отсортированные множества • битмапы и другие структуры данных | • строки • двоичные данные | • документы BSON (аналог JSON) с поддержкой сложных вложенных структур |
Производительность | Высокая | Достаточная для операций с ключами | Высокая, но зависит от дисковых операций и сложности запросов |
Поддержка разных данных | Да, поддерживает сложные структуры данных | Нет, только строки и бинарные данные | Нет, только простые строки и бинарные данные |
Механизмы устойчивости | Персистентность (снимки, журналирование, AOF) | Нет, данные теряются при перезагрузке | Полноценная персистентность на диск, журналирование |
Масштабируемость | Поддерживает кластеризацию и разделение данных | Решение нельзя использовать для сложных структур | Поддерживает шардирование и репликацию |
Гибкость запросов | Базовые операции по ключу, богатый набор команд для структур | Операции по ключу | Богатый язык запросов, агрегации, индексы |
Случаи использования | Кеширование, управление сессиями, очереди задач, базы данных в памяти и управление состоянием | Кеширование, ускорение работы приложений | Основное хранилище для документов, каталоги, контент, аналитика |
Когда использовать | Когда требуется скорость, поддержка различных типов данных и возможность персистентности. Подходит для приложений например, для кеширования веб-страниц и управления состоянием | Когда нужно кеширование в памяти без необходимости в устойчивости данных | Когда нужна NoSQL БД для постоянного хранения с гибкой схемой и сложными запросами |
Заключение
Redis доказал свою эффективность как высокопроизводительное решение для работы с данными в оперативной памяти. Его гибкость, богатый набор структур данных и отличная производительность делают его незаменимым инструментом для современных приложений — от высоконагруженных веб-сервисов до систем реального времени.
Для тех, кто хочет сосредоточиться на разработке, а не администрировании инфраструктуры, стоит обратить внимание на управляемые решения. Например, сервис Evolution Managed Redis от Cloud.ru полностью избавляет от рутинных операций по настройке и поддержке кластеров. Он предлагает:
автоматическое масштабирование и отказоустойчивость;
встроенные механизмы резервного копирования и мониторинга;
гарантированную производительность с SLA 99,95%;
безопасность с шифрованием данных и изоляцией в приватной сети;
поддержку последних версий Redis с совместимостью со стандартными клиентами.
Это позволяет командам разработки быстро развертывать готовые кластеры Redis и использовать все преимущества технологии, не тратя время на эксплуатацию.
Redis продолжает развиваться, добавляя новые функции и оптимизации, оставаясь одним из самых популярных решений в мире баз данных для сценариев, где критически важны скорость и низкая задержка.