Redis和Memcached区别

本文参考 Redis与Memcached的区别

如果简单地比较Redis与Memcached的区别,大多数都会得到以下观点:

  1. Redis不仅仅支持简单的k/v类型的数据,同时还提供list,set,zset,hash等数据结构的存储。
  2. Redis支持数据的备份,即master-slave模式的数据备份。
  3. Redis支持数据的持久化,可以将内存中的数据保持在磁盘中,重启的时候可以再次加载进行使用。

抛开这些,可以深入到Redis内部构造去观察更加本质的区别,理解Redis的设计。

网络IO模型

Memcached网络IO模型

Memcached是 多线程非阻塞IO复用 的网络模型,分为监听主线程和worker子线程,监听线程监听网络连接,接受请求后,将连接描述字pipe传递给worker线程,进行读写IO, 网络层使用libevent封装的事件库,多线程模型可以发挥多核作用,但是引入了cache coherency和锁的问题,比如,Memcached最常用的stats 命令,实际Memcached所有操作都要对这个全局变量加锁,进行计数等工作,带来了性能损耗。

Redis网络IO模型

Redis使用 单线程非阻塞IO复用 模型,自己封装了一个简单的AeEvent事件处理框架,主要实现了epoll、kqueue和select,对于单纯只有IO操作来说,单线程可以将速度优势发挥到最大,但是 Redis也提供了一些简单的计算功能,比如排序、聚合等,对于这些操作,单线程模型实际会严重影响整体吞吐量,CPU计算过程中,整个IO调度都是被阻塞住的

内存管理方面

  • Memcached使用预分配的内存池的方式,使用slab和大小不同的chunk来管理内存,Item根据大小选择合适的chunk存储,内存池的方式可以省去申请/释放内存的开销,并且能减小内存碎片产生,但这种方式也会带来一定程度上的空间浪费,并且在内存仍然有很大空间时,新的数据也可能会被剔除,原因可以参考Timyang的文章: http://timyang.net/data/Memcached-lru-evictions/
  • Redis使用现场申请内存的方式来存储数据,并且很少使用free-list等方式来优化内存分配,会在一定程度上存在内存碎片,Redis跟据存储命令参数,会把带过期时间的数据单独存放在一起,并把它们称为临时数据,非临时数据是永远不会被剔除的,即便物理内存不够,导致swap也不会剔除任何非临时数据(但会尝试剔除部分临时数据),这点上 Redis更适合作为存储而不是cache

数据一致性问题

  • Memcached提供了cas命令,可以保证多个并发访问操作同一份数据的一致性问题。
  • Redis没有提供cas命令,并不能保证这点,不过Redis提供了事务的功能,可以保证一串命令的原子性,中间不会被任何操作打断。

集群管理的不同

Memcached是全内存的数据缓冲系统,Redis虽然支持数据的持久化,但是全内存毕竟才是其高性能的本质。作为基于内存的存储系统来说,机器物理内存的大小就是系统能够容纳的最大数据量。如果需要处理的数据量超过了单台机器的物理内存大小,就需要构建分布式集群来扩展存储能力。

分布式Memcached

Memcached本身并不支持分布式,因此只能在客户端通过像一致性哈希这样的分布式算法来实现Memcached的分布式存储。下图给出了Memcached的分布式存储实现架构。当客户端向Memcached集群发送数据之前,首先会通过内置的分布式算法计算出该条数据的目标节点,然后数据会直接发送到该节点上存储。但客户端查询数据时,同样要计算出查询数据所在的节点,然后直接向该节点发送查询请求以获取数据。

Redis Cluster

相较于Memcached只能采用客户端实现分布式存储,Redis更偏向于在服务器端构建分布式存储。最新版本的Redis已经支持了分布式存储功能。Redis Cluster是一个实现了分布式且允许单点故障的Redis高级版本,它没有中心节点,具有线性可伸缩的功能。下图给出Redis Cluster的分布式存储架构,其中节点与节点之间通过二进制协议进行通信,节点与客户端之间通过ascii协议进行通信。在数据的放置策略上,Redis Cluster将整个key的数值域分成4096个哈希槽,每个节点上可以存储一个或多个哈希槽,也就是说当前Redis Cluster支持的最大节点数就是4096。Redis Cluster使用的分布式算法也很简单:crc16( key ) %HASH_SLOTS_NUMBER

为了保证单点故障下的数据可用性,Redis Cluster引入了Master节点和Slave节点。在Redis Cluster中,每个Master节点都会有对应的两个用于冗余的Slave节点。这样在整个集群中,任意两个节点的宕机都不会导致数据的不可用。当Master节点退出后,集群会自动选择一个Slave节点成为新的Master节点。

存储方式及其它方面

  • Memcached基本只支持简单的key-value存储,不支持枚举,不支持持久化和复制等功能
  • Redis除key/value之外,还支持list,set,sorted set,hash等众多数据结构,提供了KEYS进行枚举操作,但不能在线上使用,如果需要枚举线上数据,Redis提供了工具可以直接扫描其dump文件,枚举出所有数据,Redis还同时提供了持久化和复制等功能。

根据以上比较不难看出,当我们不希望数据被踢出,或者需要除key/value之外的更多数据类型时,或者需要落地功能时,使用Redis比使用Memcached更合适

单线程的Redis为什么这么高效

单线程模型

Redis客户端对服务端的每次调用都经历了发送命令,执行命令,返回结果三个过程。其中执行命令阶段,由于Redis是单线程来处理命令的,所有每一条到达服务端的命令不会立刻执行,所有的命令都会进入一个队列中,然后逐个被执行。并且多个客户端发送的命令的执行顺序是不确定的。但是可以确定的是不会有两条命令被同时执行,不会产生并发问题,这就是Redis的单线程基本模型。

单线程模型每秒万级别处理能力的原因

  1. 纯内存访问。数据存放在内存中,内存的响应时间大约是100纳秒,这是Redis每秒万亿级别访问的重要基础。
  2. 非阻塞I/O,Redis采用epoll做为I/O多路复用技术的实现,再加上Redis自身的事件处理模型将epoll中的连接,读写,关闭都转换为了时间,不在I/O上浪费过多的时间。
  3. 单线程避免了线程切换和竞态产生的消耗。
  4. Redis采用单线程模型,每条命令执行如果占用大量时间,会造成其他线程阻塞,对于Redis这种高性能服务是致命的,所以Redis是面向高速执行的数据库。

总结
  1. Redis使用最佳方式是全部数据in-memory。
  2. Redis更多场景是作为Memcached的替代者来使用。
  3. 当需要除key/value之外的更多数据类型支持时,使用Redis更合适。
  4. 当存储的数据不能被剔除时,使用Redis更合适。
  5. 需要分布式部署时,使用Redis更合适。

参考文档

  1. Redis与Memcached的区别
  2. Redis和Memcached的区别
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