[譯]Redis大冒險

原文：ALCA in Redis-land

一篇對使用Redis在NoSQL的世界中冒險之旅的總結。

The legs of our journey

像每次出發一樣，先對我們這次的旅程路線做個介紹：

• Redis? What is it?
• Available datatypes
• Where are my tables?
• A simple use case
• Back home

探索之一：Redis? What is it?

簡而言之，Redis是一種強大的key-value數據庫，之所以強大有兩點：響應速度快(所以數據內存存儲，只在必要時寫入磁盤)，特性豐富(支持多種數據類型，以及各類型上的復雜操作)。

事實上，Redis的一個重要特性就是它並非通常意義上的數據庫，雖然稱之為數據庫是因為它可以為你存儲和維護數據，但它並不像關系數據庫那樣提供任何的SQL方言。不過不用擔心，Redis並不是吞噬數據的黑洞，它只是不支持SQL及相關功能，但卻提供了穩健的協議用於與之交互。

在Redis中，沒有數據表的概念，也無須關心select,join,view等操作或功能，同時也不提供類似於int或varchar的數據字段。你面對的將是相對原始的數據集合及數據類型。

探索之二：Available datatypes

下面我們深入看下這個奇怪的數據庫是如何工作的。如上所見，Redis是基於key-value范式存儲數據，所以先來重點看下"key"的概念。

key本質上就是簡單的字符串，諸如"username"、"password"等。在定義key時，除了不能使用空格，你可以隨意的使用普通的字符、數字等，像".",":","_"等在定義key時都能正常使用，所以像"user_name", "user:123:age", "user:123:username"都是不錯的key的定義方式。

不像RDBMS中的字段名稱，這里的key是Redis中的重要組成部分，所以我們必須在處理key時多加小心。在下面的講述中，Redis並沒有table的概念，所以像"SELECT username from users WHERE user_id=123;"這種簡單任務都只能換種方式實現，為了達到這種目的，在Redis上，一種方式是通過key "user:123:username"來獲取結果value。如你所見，key的定義中攜帶了神秘信息(像user ids)。在Redis中，key的重要性可見一斑。(其他key-value數據庫中key的地位也是如此。)

現在你應該對key有了清楚的了解，下面帶你進入可用的數據類型的神奇世界。

Strings

String是Redis中最基本的數據類型，它就是普通的二進制安全的字符串，支持最大數據長度為1Gb。
可以通過SET命令給一個key設置String類型的數據，並可通過GET命令根據key取得結果。如果你想存儲數字信息，像計數器，你也可以把它存儲到String數據中，並可使用INCR和DECR對之做自增和自減操作。

Lists

List是string數據的集合，其中各數據項按插入順序排列。你可以把list當作一個鎖鏈(chain)，所以可以在鎖鏈最左邊(鏈頭)或最右邊(鏈尾)添加一個新的鏈結(link)；當然也可以加在鎖鏈中間，但卻要打斷某個鏈結。

可能通過LPUSH和RPUSH命令給list添加數據(L:left, R:right)，通過LPOP或RPOP命令彈出元素(同時刪除該元素)，也可以通過LRANGE獲取指定范圍的元素(僅返回數據，不會刪除任何元素)。另外也可通過LSET在指定位置添加元素，但通常這種操作比簡單的LPUSH或RPUSH要慢很多。

Hashes

Hashes以簡潔的方式存儲關系更為緊密的數據。Hashes為每個存儲的key實現一個內置的key-value對來存儲數據，例如對於"user"這個key，它的值可以是多個字段以及與每個字符相應的值對組成數據集。如果你熟悉像ruby或javascript等編程語言，這里的hashes與那些語言中的hash概念大同小異。

Sets

Sets和它在數學上的同名概念"集合"意義相同，是包含不重復元素的集合。在Redis中，這些對象變成了Redis里的String類型。正如你想，sets與lists不同的地方在於：sets中的元素是無序的，並且不能重復，你不能在sets中放進兩個相同的數據。　　

可以通過SADD往set中添加數據，SREM刪除數據，或者通過SPOP返回並刪除此數據。此外還可以通過SUNION, SINTER, SDIFF命令分別實現集合上的"並集", "交集", "差集"操作。

Ordered sets

Ordered sets與sets類似，不同地方在於Ordered set中的每個元素都有一個權重，用於與其他元素比較並排序。

當然ordered set與普通sets具有類似的操作，ZADD和ZREM分別是添加和刪除元素。Ordered set也有自己獨有的操作：ZINCR和ZSCORE，前則用於為元素的權重+1，后則則返回元素的權重值。

探索之三：Where are my tables?

使用Redis與我們之前使用的SQL數據表完全不同，沒有語言支持你在服務器上查詢數據，這里僅有一些命令幫你操作數據庫中的keys值。Redis中的命令是數據類型敏感型的，也就是說你不能在list上執行set命令，否則你將得到一個執行錯誤的提示。可以通過redis-cli或其他你使用的編程語言中的接口給Redis server發送命令。在下面的示例中，我們只強調命令本身，而不關注你通過哪種方式提交給Redis server。

想像一下，一個簡單的SQL數據庫表，像一些應用中會用到的保存用戶數據的表：

id　username　password　name　surname
1　　user1　　pass1　　　Bob　　Smith
2　　user2　　pass2　　　Mario　Rossi

存儲數據

假如我們想把上面的數據存儲到Redis中，你會如何在Redis中設計數據庫方案呢？也許以應用的視覺來看會更直觀一些。使用SQL，我們在SELECT中通過指定用戶id來獲得一個用戶信息，換句話說就是需要有用於區分不同數據實體的方式，所以我們可以通過一個唯一的標識來標識和獲取用戶信息。所以如果在redis的key中加入用戶的id信息，那么我們的查詢需求就解決了，在redis中，數據被存儲成如下形式：

Key　　　　　　　　Value
user:1:username　　user1
user:1:password　　pass1
user:1:name　　　　Bob
user:1:surname　　 Smith
user:2:username　　user2
user:2:password　　pass2
user:2:name 　　　  Mario
user:2:surname 　　Rossi

那么，給出任一個用戶id，我們就可以通過key user:id:username,user:id:password,user:id:name,user:id:surname的形式讀出用戶信息。

用戶登錄

上面的存儲形式也能用於用戶登錄，但需要一種方式能根據username來查詢用戶的id。也就是說我們還需要在username和id之間建立聯系。這可以通過添加另外一個redis key"user:username:id"來實現。

key　　　　　　value
user:user1:id　　1
user:user2:id　　2

現在如果Mario Rossi想要登錄進來，我們可以通過key"user:user2:id"先查出username，進而獲得用戶的所有信息。

主鍵

在Redis中如何保證id值的唯一性呢。在SQL中，可以通過"id int primary key auto_increment"定義自增主鍵來實現，現在我們也需要一種類似的方式為每個用戶生成一個不同的id。根據前面可用的數據類型中提到的數字數據，Redis中的方案是這樣的：創建一個key"user:next_id"，並把它作為計數器，每當要添加新用戶時，就對key"user:next_id"執行INCR命令。

SELECT * FROM users;

下一個面臨的問題是查詢用戶列表。也許你認為我們上面的數據存儲已經足以查詢出用戶列表：可以先獲得"user:next_id"的當前值counter，然后通過一步或多步遍歷0到counter獲得用戶數據。但如果某個用戶從系統中刪除(下面會講到刪除操作)，而我們會遍歷0到counter中的所有id，這時就會有些id查詢不到任何數據。

盡管這通常不是問題，但我們不想在不存在的用戶數據上浪費時間，所以需要創建另外一個key"user:list"，其value為list或set類型，用於存儲每一個新增的用戶id，並在必要的時候從"user:list"中刪除該id。我更傾向於使用list，因為它可能通過LRANGE命令實現分頁功能。

刪除用戶

還有一個要面臨的問題是"數據完整性",看看我們在刪除用戶時會發生什么吧。我們需要刪除每一個對此用戶的引用，也就是說，需要刪除下面所有的key"user:id:*","user:username:id"，以及"user:list"中的用戶id。

探索之四：A Simple use case

為了學習致用，我們嘗試設計一個虛擬圖書館，並能根據主題對圖書分組。下面的例子比上面的用戶表會稍微復雜些，但你將學會如何在Redis中處理關聯關系。

在應用中，我們需要收集圖書，並存儲他們的title,author(s), topic(s), pages, price, ISBN和description。顯然有些圖書的作者不止一個，並且它也許會涵蓋不同的主題(例如一本書可以是編程主題，也可以是描述的ruby編程)。另外一個作者可能寫了很多本書，而一個主題必然會包含很多本書。可以看出，這里出現了作者和圖書、主題和圖書的多對多關系。

SQL場景

首先，我們嘗試使用SQL數據表為此種場景建數據模型，以便於我們更直觀的在Redis領域中模擬：

Books

id　title　　　　　　　　　pages　price　　　isbn　　　　　description
1　Programming Ruby　  829　　 $26　　0974514055　ruby programming language
2　Erlang Programming　496　　 $42　　 0596518188　an introduction to erlang

Authors

id　name　　　　surname
1　　Dave　　　　Thomas
2　　Chad　　　　Fowler
3　　Andy　　　　Hunt
4　　Francesco　 Cesarini
5　　Simon 　 　Thompson

Topics

id　　name　　　　　　description
1　　　programming　Books about programming
2　　　ruby　　　　　 Books about ruby
3　　　erlang　　　　  Books about erlang

Books-Authors

book_id　author_id
1　　　　　1
1　　　　　2
1　　　　　3
2　　　　　4
2　　　　　5

Books-Topics

book_id　topic_id
1　　　　　1
1　　　　　2
2　　　　　1
2　　　　　3

Redis場景

前面已經介紹了如何在Redis中存儲數據，所以這里理解Books,Authors和Topics這三張表應該不成問題。但當面對Books-Authors和Book-Topics這種表之間的多對多關聯時，問題變得復雜起來。下面以Topic為例來看如何解決Book與Topic之間的關聯，一旦對這個關系清楚了，Book與Author之間的關系也就迎刃而解了。

對於每本book，我們需要知道它屬於哪些topics；同樣對於每個topic，也要處理它包含的每本book。換句話說，對每本book，需要一個存儲它所關聯的topic的id列表，對於每個topic，同樣需要一個存儲它關聯的book的id列表。這正是set大展身手的地方。我們將創建兩個sets:"book:id:topic"和"topic:id:books"，前者保存book的topics'id列表，后者存儲topic的books'id列表。以前面SQL場景中的數據為例，圖書"Programming Erlang"(books表中的id為2)，將有一個key為"book:2:topics"，value為set類型且數據為(1,3)的數據信息；而主題"programming"則會有一個key為"topic:1:books"，值為(1,2)的數據集。

經過分析，就得出了Redis場景下的數據模型：

Authors

Strings
-　author:id
-　author:id:name
-　author:id:surname

Sets
-　author:id:books

Lists
-　authorlist

Books

Strings
-　book:id
-　book:id:title
-　book:id:pages
-　book:id:price
-　book:id:isbn
-　book:id:description

Sets
-　books:id:authors -　books:id:topics

Lists
-　book:list

Topics

String
-　topic:id
-　topic:id:name
-　topic:id:description

Sets
-　topic:id:books

Lists
-　topic:list

可以看出，在SQL中的多對多關聯，在Redis中可以通過兩個set來實現。你會發現這種實現相當有用，它給我們提供了一種可以自由獲得其他信息的能力：可以通過對所有感興趣的"topic:id:books"集合中交集操作，從而獲得隸屬於多個主題的圖書。例如對集合"topic:1:books"(programming主題)和"topic:2:books"(ruby主題)做交集，會得到只有一個元素(1)的集合，從而獲得id=1的圖書：programming Ruby。

對於這種實現，你必須特別關注對數據的刪除操作。因為topics里有對books的引用，同樣books里有對topics的引用，那刪除如何操作？以刪除books中的數據為例，首先想到的是要刪除每個key為"book:id:*"的數據，但執行此操作前需要先遍歷topics中的所有key為"topic:id:books"的集合，並從中刪除待刪除圖書的id，當然也要從books中key為"book:list"的列表中刪除此id。如果想刪除一個topic，操作也很類似：從topics中刪除所有key為"topic:id:*"信息之前，需要先遍歷books中的key為"books:id:topics"的topic id集，並從中刪除待刪除topic的id，同時從"topic:list"列表中也刪除此id。同樣的操作對於authors一樣適用。

探索之五：Back home

對於Redis的探索到一段落，現在回頭看看我們的旅行包里收獲了哪些精彩。
我們學習了Redis中的數據類型及操作命令，還有一些其他有趣的東西。 是不是還有幾段記憶深刻的故事呢：

• 通過對String數據執行INCR命令解決唯一自增主鍵問題
• 通過含義豐富的key:"user:username:id"處理用戶登錄場景
• 通過set實現數據間的多對多關聯

到此為止，Redis之旅已經結束，希望未給你帶來不快。最后送上一副良濟：having fun coding free software! 

 

譯者注：本文是翻譯而來，個人感覺是通過與SQL做對比，來強調Redis的不同，進而讓讀者能跳出SQL的枷鎖，以實現對Redis的理解。

在真實場景中，Redis未必如文中描述的方式使用，我自己對Redis的使用場景也在學習中，歡迎指導。