Redis

在项目开发中redis的使用也比较频繁，本文介绍了Go语言中go-redis库的基本使用。

Redis介绍

Redis是一个开源的内存数据库，Redis提供了多种不同类型的数据结构，很多业务场景下的问题都可以很自然地映射到这些数据结构上。除此之外，通过复制、持久化和客户端分片等特性，我们可以很方便地将Redis扩展成一个能够包含数百GB数据、每秒处理上百万次请求的系统。

Redis支持的数据结构

Redis支持诸如字符串（string）、哈希（hashe）、列表（list）、集合（set）、带范围查询的排序集合（sorted set）、bitmap、hyperloglog、带半径查询的地理空间索引（geospatial index）和流（stream）等数据结构。

Redis应用场景

  • 缓存系统，减轻主数据库（MySQL）的压力。
  • 计数场景，比如微博、抖音中的关注数和粉丝数。
  • 热门排行榜，需要排序的场景特别适合使用ZSET。
  • 利用 LIST 可以实现队列的功能。
  • 利用 HyperLogLog 统计UV、PV等数据。
  • 使用 geospatial index 进行地理位置相关查询。

准备Redis环境

读者可以选择在本机安装 redis 或使用云数据库，这里直接使用Docker启动一个 redis 环境，方便学习使用。

使用下面的命令启动一个名为 redis507 的 5.0.7 版本的 redis server环境。

docker run --name redis507 -p 6379:6379 -d redis:5.0.7

注意：此处的版本、容器名和端口号可以根据自己需要设置。

启动一个 redis-cli 连接上面的 redis server。

docker run -it --network host --rm redis:5.0.7 redis-cli

go-redis库

安装

Go 社区中目前有很多成熟的 redis client 库，比如[https://github.com/gomodule/redigo 和https://github.com/go-redis/redis，读者可以自行选择适合自己的库。本书使用 go-redis 这个库来操作 Redis 数据库。

使用以下命令下安装 go-redis 库。

go get github.com/go-redis/redis/v8

连接

普通连接模式

go-redis 库中使用 redis.NewClient 函数连接 Redis 服务器。

rdb := redis.NewClient(&redis.Options{
    Addr:     "localhost:6379",
    Password: "", // 密码
    DB:       0,  // 数据库
    PoolSize: 20, // 连接池大小
})

除此之外，还可以使用 redis.ParseURL 函数从表示数据源的字符串中解析得到 Redis 服务器的配置信息。

opt, err := redis.ParseURL("redis://<user>:<pass>@localhost:6379/<db>")
if err != nil {
    panic(err)
}

rdb := redis.NewClient(opt)

TLS连接模式

如果使用的是 TLS 连接方式，则需要使用 tls.Config 配置。

rdb := redis.NewClient(&redis.Options{
    TLSConfig: &tls.Config{
        MinVersion: tls.VersionTLS12,
        // Certificates: []tls.Certificate{cert},
    // ServerName: "your.domain.com",
    },
})

Redis Sentinel模式

使用下面的命令连接到由 Redis Sentinel 管理的 Redis 服务器。

rdb := redis.NewFailoverClient(&redis.FailoverOptions{
    MasterName:    "master-name",
    SentinelAddrs: []string{":9126", ":9127", ":9128"},
})

Redis Cluster模式

使用下面的命令连接到 Redis Cluster，go-redis 支持按延迟或随机路由命令。

rdb := redis.NewClusterClient(&redis.ClusterOptions{
    Addrs: []string{":7000", ":7001", ":7002", ":7003", ":7004", ":7005"},

    // 若要根据延迟或随机路由命令，请启用以下命令之一
    // RouteByLatency: true,
    // RouteRandomly: true,
})

基本使用

执行命令

下面的示例代码演示了 go-redis 库的基本使用。

// doCommand go-redis基本使用示例
func doCommand() {
    ctx, cancel := context.WithTimeout(context.Background(), 500*time.Millisecond)
    defer cancel()

    // 执行命令获取结果
    val, err := rdb.Get(ctx, "key").Result()
    fmt.Println(val, err)

    // 先获取到命令对象
    cmder := rdb.Get(ctx, "key")
    fmt.Println(cmder.Val()) // 获取值
    fmt.Println(cmder.Err()) // 获取错误

    // 直接执行命令获取错误
    err = rdb.Set(ctx, "key", 10, time.Hour).Err()

    // 直接执行命令获取值
    value := rdb.Get(ctx, "key").Val()
    fmt.Println(value)
}

执行任意命令

go-redis 还提供了一个执行任意命令或自定义命令的 Do 方法，特别是一些 go-redis 库暂时不支持的命令都可以使用该方法执行。具体使用方法如下。

// doDemo rdb.Do 方法使用示例
func doDemo() {
    ctx, cancel := context.WithTimeout(context.Background(), 500*time.Millisecond)
    defer cancel()

    // 直接执行命令获取错误
    err := rdb.Do(ctx, "set", "key", 10, "EX", 3600).Err()
    fmt.Println(err)

    // 执行命令获取结果
    val, err := rdb.Do(ctx, "get", "key").Result()
    fmt.Println(val, err)
}

redis.Nil

go-redis 库提供了一个 redis.Nil 错误来表示 Key 不存在的错误。因此在使用 go-redis 时需要注意对返回错误的判断。在某些场景下我们应该区别处理 redis.Nil 和其他不为 nil 的错误。

// getValueFromRedis redis.Nil判断
func getValueFromRedis(key, defaultValue string) (string, error) {
    ctx, cancel := context.WithTimeout(context.Background(), 500*time.Millisecond)
    defer cancel()

    val, err := rdb.Get(ctx, key).Result()
    if err != nil {
        // 如果返回的错误是key不存在
        if errors.Is(err, redis.Nil) {
            return defaultValue, nil
        }
        // 出其他错了
        return "", err
    }
    return val, nil
}

其他示例

zset示例

下面的示例代码演示了如何使用 go-redis 库操作 zset。

// zsetDemo 操作zset示例
func zsetDemo() {
    // key
    zsetKey := "language_rank"
    // value
    languages := []*redis.Z{
        {Score: 90.0, Member: "Golang"},
        {Score: 98.0, Member: "Java"},
        {Score: 95.0, Member: "Python"},
        {Score: 97.0, Member: "JavaScript"},
        {Score: 99.0, Member: "C/C++"},
    }
    ctx, cancel := context.WithTimeout(context.Background(), 500*time.Millisecond)
    defer cancel()

    // ZADD
    err := rdb.ZAdd(ctx, zsetKey, languages...).Err()
    if err != nil {
        fmt.Printf("zadd failed, err:%v\n", err)
        return
    }
    fmt.Println("zadd success")

    // 把Golang的分数加10
    newScore, err := rdb.ZIncrBy(ctx, zsetKey, 10.0, "Golang").Result()
    if err != nil {
        fmt.Printf("zincrby failed, err:%v\n", err)
        return
    }
    fmt.Printf("Golang's score is %f now.\n", newScore)

    // 取分数最高的3个
    ret := rdb.ZRevRangeWithScores(ctx, zsetKey, 0, 2).Val()
    for _, z := range ret {
        fmt.Println(z.Member, z.Score)
    }

    // 取95~100分的
    op := &redis.ZRangeBy{
        Min: "95",
        Max: "100",
    }
    ret, err = rdb.ZRangeByScoreWithScores(ctx, zsetKey, op).Result()
    if err != nil {
        fmt.Printf("zrangebyscore failed, err:%v\n", err)
        return
    }
    for _, z := range ret {
        fmt.Println(z.Member, z.Score)
    }
}

执行上面的函数将得到如下输出结果。

zadd success
Golang's score is 100.000000 now.
Golang 100
C/C++ 99
Java 98
Python 95
JavaScript 97
Java 98
C/C++ 99
Golang 100

扫描或遍历所有key

你可以使用KEYS prefix:* 命令按前缀获取所有 key。

vals, err := rdb.Keys(ctx, "prefix*").Result()

但是如果需要扫描数百万的 key ，那速度就会比较慢。这种场景下你可以使用Scan 命令来遍历所有符合要求的 key。

// scanKeysDemo1 按前缀查找所有key示例
func scanKeysDemo1() {
    ctx, cancel := context.WithTimeout(context.Background(), 500*time.Millisecond)
    defer cancel()

    var cursor uint64
    for {
        var keys []string
        var err error
        // 按前缀扫描key
        keys, cursor, err = rdb.Scan(ctx, cursor, "prefix:*", 0).Result()
        if err != nil {
            panic(err)
        }

        for _, key := range keys {
            fmt.Println("key", key)
        }

        if cursor == 0 { // no more keys
            break
        }
    }
}

Go-redis 允许将上面的代码简化为如下示例。

// scanKeysDemo2 按前缀扫描key示例
func scanKeysDemo2() {
    ctx, cancel := context.WithTimeout(context.Background(), 500*time.Millisecond)
    defer cancel()
    // 按前缀扫描key
    iter := rdb.Scan(ctx, 0, "prefix:*", 0).Iterator()
    for iter.Next(ctx) {
        fmt.Println("keys", iter.Val())
    }
    if err := iter.Err(); err != nil {
        panic(err)
    }
}

例如，我们可以写出一个将所有匹配指定模式的 key 删除的示例。

// delKeysByMatch 按match格式扫描所有key并删除
func delKeysByMatch(match string, timeout time.Duration) {
    ctx, cancel := context.WithTimeout(context.Background(), timeout)
    defer cancel()

    iter := rdb.Scan(ctx, 0, match, 0).Iterator()
    for iter.Next(ctx) {
        err := rdb.Del(ctx, iter.Val()).Err()
        if err != nil {
            panic(err)
        }
    }
    if err := iter.Err(); err != nil {
        panic(err)
    }
}

此外，对于 Redis 中的 set、hash、zset 数据类型，go-redis 也支持类似的遍历方法。

iter := rdb.SScan(ctx, "set-key", 0, "prefix:*", 0).Iterator()
iter := rdb.HScan(ctx, "hash-key", 0, "prefix:*", 0).Iterator()
iter := rdb.ZScan(ctx, "sorted-hash-key", 0, "prefix:*", 0).Iterator(

Pipeline

Redis Pipeline 允许通过使用单个 client-server-client 往返执行多个命令来提高性能。区别于一个接一个地执行100个命令，你可以将这些命令放入 pipeline 中，然后使用1次读写操作像执行单个命令一样执行它们。这样做的好处是节省了执行命令的网络往返时间（RTT）。

y在下面的示例代码中演示了使用 pipeline 通过一个 write + read 操作来执行多个命令。

pipe := rdb.Pipeline()

incr := pipe.Incr(ctx, "pipeline_counter")
pipe.Expire(ctx, "pipeline_counter", time.Hour)

cmds, err := pipe.Exec(ctx)
if err != nil {
    panic(err)
}

// 在执行pipe.Exec之后才能获取到结果
fmt.Println(incr.Val())

上面的代码相当于将以下两个命令一次发给 Redis Server 端执行，与不使用 Pipeline 相比能减少一次RTT。

INCR pipeline_counter
EXPIRE pipeline_counts 3600

或者，你也可以使用Pipelined 方法，它会在函数退出时调用 Exec。

var incr *redis.IntCmd

cmds, err := rdb.Pipelined(ctx, func(pipe redis.Pipeliner) error {
    incr = pipe.Incr(ctx, "pipelined_counter")
    pipe.Expire(ctx, "pipelined_counter", time.Hour)
    return nil
})
if err != nil {
    panic(err)
}

// 在pipeline执行后获取到结果
fmt.Println(incr.Val())

我们可以遍历 pipeline 命令的返回值依次获取每个命令的结果。下方的示例代码中使用pipiline一次执行了100个 Get 命令，在pipeline 执行后遍历取出100个命令的执行结果。

cmds, err := rdb.Pipelined(ctx, func(pipe redis.Pipeliner) error {
    for i := 0; i < 100; i++ {
        pipe.Get(ctx, fmt.Sprintf("key%d", i))
    }
    return nil
})
if err != nil {
    panic(err)
}

for _, cmd := range cmds {
    fmt.Println(cmd.(*redis.StringCmd).Val())
}

在那些我们需要一次性执行多个命令的场景下，就可以考虑使用 pipeline 来优化。

事务

Redis 是单线程执行命令的，因此单个命令始终是原子的，但是来自不同客户端的两个给定命令可以依次执行，例如在它们之间交替执行。但是，Multi/exec能够确保在multi/exec两个语句之间的命令之间没有其他客户端正在执行命令。

在这种场景我们需要使用 TxPipeline 或 TxPipelined 方法将 pipeline 命令使用 MULTI 和EXEC包裹起来。

// TxPipeline demo
pipe := rdb.TxPipeline()
incr := pipe.Incr(ctx, "tx_pipeline_counter")
pipe.Expire(ctx, "tx_pipeline_counter", time.Hour)
_, err := pipe.Exec(ctx)
fmt.Println(incr.Val(), err)

// TxPipelined demo
var incr2 *redis.IntCmd
_, err = rdb.TxPipelined(ctx, func(pipe redis.Pipeliner) error {
    incr2 = pipe.Incr(ctx, "tx_pipeline_counter")
    pipe.Expire(ctx, "tx_pipeline_counter", time.Hour)
    return nil
})
fmt.Println(incr2.Val(), err)

上面代码相当于在一个RTT下执行了下面的redis命令：

MULTI
INCR pipeline_counter
EXPIRE pipeline_counts 3600
EXEC

Watch

我们通常搭配 WATCH命令来执行事务操作。从使用WATCH命令监视某个 key 开始，直到执行EXEC命令的这段时间里，如果有其他用户抢先对被监视的 key 进行了替换、更新、删除等操作，那么当用户尝试执行EXEC的时候，事务将失败并返回一个错误，用户可以根据这个错误选择重试事务或者放弃事务。

Watch方法接收一个函数和一个或多个key作为参数。

Watch(fn func(*Tx) error, keys ...string) error

下面的代码片段演示了 Watch 方法搭配 TxPipelined 的使用示例。

// watchDemo 在key值不变的情况下将其值+1
func watchDemo(ctx context.Context, key string) error {
    return rdb.Watch(ctx, func(tx *redis.Tx) error {
        n, err := tx.Get(ctx, key).Int()
        if err != nil && err != redis.Nil {
            return err
        }
        // 假设操作耗时5秒
        // 5秒内我们通过其他的客户端修改key，当前事务就会失败
        time.Sleep(5 * time.Second)
        _, err = tx.TxPipelined(ctx, func(pipe redis.Pipeliner) error {
            pipe.Set(ctx, key, n+1, time.Hour)
            return nil
        })
        return err
    }, key)
}

将上面的函数执行并打印其返回值，如果我们在程序运行后的5秒内修改了被 watch 的 key 的值，那么该事务操作失败，返回redis: transaction failed错误。

最后我们来看一个 go-redis 官方文档中使用 GET 、SET和WATCH命令实现一个 INCR 命令的完整示例。

const routineCount = 100

increment := func(key string) error {
    txf := func(tx *redis.Tx) error {
        // 获得当前值或零值
        n, err := tx.Get(key).Int()
        if err != nil && err != redis.Nil {
            return err
        }

        // 实际操作（乐观锁定中的本地操作）
        n++

        // 仅在监视的Key保持不变的情况下运行
        _, err = tx.Pipelined(func(pipe redis.Pipeliner) error {
            // pipe 处理错误情况
            pipe.Set(key, n, 0)
            return nil
        })
        return err
    }

    for retries := routineCount; retries > 0; retries-- {
        err := rdb.Watch(txf, key)
        if err != redis.TxFailedErr {
            return err
        }
        // 乐观锁丢失
    }
    return errors.New("increment reached maximum number of retries")
}

var wg sync.WaitGroup
wg.Add(routineCount)
for i := 0; i < routineCount; i++ {
    go func() {
        defer wg.Done()

        if err := increment("counter3"); err != nil {
            fmt.Println("increment error:", err)
        }
    }()
}
wg.Wait()

n, err := rdb.Get("counter3").Int()
fmt.Println("ended with", n, err)

在这个示例中使用了 redis.TxFailedErr 来检查事务是否失败。

更多详情请查阅文档。

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