پایگاه داده Redis (ردیس) چه ویژگی هایی دارد و چطور از آن استفاده کنیم؟

آیا تابه حال نام Redis را شنیده اید؟ اگر developer (توسعه دهنده) برنامه باشید، احتمالا پاسخ شما مثبت است. اما آیا می دانید چگونه از آن استفاده کنید؟ اگر نمی دانید، جای نگرانی نیست! ما به طور مفصل برا شما توضیح می دهیم که این ابزار قدرتمند چه کاربردی برای پروژه های شما خواهد داشت. پایگاه داده Redis در سال های اخیر به دلیل تطبیق پذیری، سرعت بالا و مقیاس پذیری، محبوبیت قابل توجهی به دست آورده است. در این مقاله، ما از اصول اولیه Redis تا پیاده سازی های مختلف آن برای کاربردهای مختلف را بررسی می کنیم و مزایای استفاده از این پایگاه داده در حافظه (in-memory) را بیان می کنیم. پس بیایید به بررسی کاربردهای Redis بپردازیم و آماده باشید تا دانش خود را در موارد فنی مربوط به پایگاه داده ردیس افزایش دهید.

Redis چیست؟ آشنایی با این پایگاه داده

Redis مخفف Remote Dictionary Server، یک پایگاه داده منبع باز (open-source) و در حافظه (in-memory) است. این پایگاه داده روشی منعطف و کارآمد برای ذخیره کردن و بازیابی داده ها با حفظ کامل آن در حافظه را فراهم می کند.

منشا ردیس را می‌توان به سالواتور سانفیلیپو (Salvatore Sanfilippo)، به عنوان اصلی ترین توسعه‌دهنده پایگاه داده in-memory، که به دنبال افزایش مقیاس‌پذیری استارت‌آپ ایتالیایی خود بود نسبت داد. این پایگاه داده برای اهداف مختلف، از جمله بهبود عملکرد پایگاه داده، قابلیت‌های کش، message brokering و مدیریت صف به وجود آمد و تکامل یافت.

برخلاف پایگاه های داده‌ سنتی، Redis داده‌ها را در حافظه اصلی ذخیره می‌کند و امکان دسترسی سریع به آن ها را فراهم می آورد. Redis دارای زمان پاسخ‌دهی کمتر از میلی‌ثانیه است و استفاده از آن در نرم افزارهای آنلاین صنایع مختلف مانند فناوری تبلیغات، خدمات مالی، مراقبت‌های بهداشتی و اینترنت اشیا باعث قدرتمند تر شدن آن ها می شود.

Redis با استفاده از زبان ANSI C پیاده‌سازی شده است و با هدف ایجاد عملکرد یکپارچه در طیف گسترده‌ای از سیستم‌های POSIX، از جمله BSD، Linux، و OS X، بدون وابستگی‌ به دیگر برنامه ها طراحی شده است. در میان سیستم‌عامل‌های ذکر شده، توسعه و آزمایش‌های گسترده‌ای عمدتاً روی OS X و Linux انجام شده است. علاوه بر این، لینوکس به عنوان گزینه ای برتر، برای استقرار این دیتابیس در محیط های مختلف تایید شده است.

امروزه، Redis به عنوان یکی از پرطرفدارترین دیتابیس های open-source شناخته می شود و عنوان محبوب ترین پایگاه داده را توسط Stack Overflow برای پنج سال متوالی به دست آورده است. همچنین با توجه به سرعت و عملکرد استثنایی خود، به گزینه ای مطلوب برای کاربرد در بسیاری از زمینه ها از جمله ذخیره سازی برنامه ها، مدیریت نشست ها، بازی، تابلوهای امتیازات (leaderboards)، تجزیه و تحلیل آنلاین (real-time analytics)، برنامه های کاربردی جغرافیایی، پلتفرم های ride-hailing و غیره تبدیل شده است.

ساختارهای داده در Redis

Redis مجموعه گسترده ای از ویژگی ها را برای رفع نیازهای برنامه های مختلف ارائه می دهد. ساختارهای داده این دیتابیس کاربران را قادر می‌سازد تا برنامه‌هایی را طراحی و پیاده‌سازی کنند که دقیقاً با نیازهای مشتریان مطابقت داشته باشد، بدون اینکه محدودیتی برای آن ها ایجاد کند. در زیر، فهرستی از ساختارهای داده موجود در این دیتابیس را خواهید دید که هر کدام عملیات منحصر به فرد و پیچیدگی های خود را دارند.

رشته ها (Strings): این ساختار داده امکان ذخیره سازی داده های متنی تا اندازه 512 مگابایت را فراهم می کند.

لیست ها (Lists): لیست ها شامل مجموعه ای از رشته ها هستند که ترتیب اضافه کردن در آنها حفظ می شود.

مجموعه ها (Sets): مجموعه ای نامرتب از رشته ها با قابلیت انجام عملیات مجموعه هستند.

مجموعه‌های مرتب‌شده (Sorted Sets): مجموعه‌ها را بر اساس مقدار مرتبط با هر کلید مرتب می‌کنند. آنها به ویژه برای اجرای تابلوهای امتیازات (leaderboards and scoreboards) مفید هستند.

هش ها (Hashes): هش ها روشی ساختاریافته برای ذخیره لیستی از فیلدها و مقادیر مربوط به آنها، مشابه Hashmaps، ارائه می دهند.

Bitmaps: یک نوع داده تخصصی است که امکان انجام عملیات در سطح بیت را فراهم می کند.

HyperLogLogs: از یک ساختار داده احتمالی، برای تخمین تعداد موارد منحصر به فرد در یک مجموعه داده، استفاده می کند. از آنها معمولا برای محاسبات احتمالی استفاده می شود.

با این مجموعه غنی از ساختارهای داده، Redis توسعه دهندگان را به ابزارهای قدرتمند، برای مقابله با طیف گسترده ای از سناریوهای کاربردی و مدیریت کارآمد داده ها مجهز می کند.

مزایای پایگاه داده Redis

سرعت و عملکرد چشمگیر

Redis که بیشتر با قابلیت‌ کش استثنایی‌اش شناخته می‌شود، از سرعت قابل توجهی برای عملیات خواندن و نوشتن برخوردار است. همچنین توانایی انجام میلیون‌ها عملیات در ثانیه را دارد و از پایگاه‌های داده سنتی بهتر عمل می‌کند و امکان پاسخ دهی سریعتر را ایجاد می کند. علاوه بر این، در پشتیبانی از عملیات های مختلف عالی است و باعث می شود تا برنامه ها چندین عملیات را به صورت یکپارچه اجرا کنند. استفاده از کانال های pub/sub در این پایگاه داده، کارایی اشتراک گذاری داده ها بین برنامه ها را افزایش می دهد.

مقیاس پذیری بالا

یکی دیگر از ویژگی های قابل توجه Redis مقیاس پذیری بالای آن است که امکان استقرار در چندین سیستم را برای دسترسی بیشتر فراهم می کند. مقیاس پذیری بالای ردیس آن را به گزینه ای مناسب برای سیستم های توزیع شده ای تبدیل می کند که نیاز به پردازش سریع حجم وسیعی از داده ها دارند.

توزیع بدون از دست دادن داده ها (Seamless Data Distribution)

از Redis برای ذخیره اطلاعات نشست ها در یک سیستم توزیع شده استفاده می شود و دسترسی سریع به داده ها را در چندین سرور تسهیل می کند. این قابلیت آن را برای برنامه های بازی، قدرتمند می کند؛ زیرا اشتراک گذاری یکپارچه و کارآمد داده، در گره های متعدد، در لحظه را امکان پذیر می کند.

ویژگی های دیگر

Redis علاوه بر عملکرد چشمگیر خود، ویژگی های بی شماری را ارائه می دهد که در پایگاه های داده سنتی وجود ندارند. از جمله آنها به عملکردهای pub/sub می توان اشاره کرد که انتشار پیام و اشتراک آن را فعال می کنند. همچنین از تراکنش ها و اسکریپت نویسی Lua پشتیبانی می کنند. این ویژگی‌های قوی به توسعه‌دهندگان اجازه می‌دهد تا برنامه‌های قدرتمندی بسازند که قبلاً با پایگاه‌های داده سنتی دست نیافتنی بودند.

سادگی کدنویسی

Redis فرآیند نوشتن کد، که به طور سنتی پیچیده است را ساده می کند و برای شما این امکان را ایجاد می کند با تعداد خطوط کمتر و ساده تر به عملکرد مورد نظر خود برسید. با Redis، می‌توان ذخیره‌سازی داده، دسترسی و استفاده از داده در برنامه‌ها را، با نوشتن تعداد خطوط کد کمتری انجام دهید.

تمایز کلیدی در این ویژگی این است که توسعه‌دهندگان Redis می‌توانند به جای استفاده از زبان‌های جستجو که معمولاً با پایگاه‌های داده سنتی مرتبط هستند، از یک ساختار دستوری ساده استفاده کنند. به عنوان مثال، با استفاده از ساختار داده هش Redis، می توانید داده ها را تنها با یک خط کد به یک دیتابیس منتقل کنید.

Redis طیف گسترده ای از ساختارهای داده و ویژگی های زیادی را برای کاربرد و تعامل با داده ها به شما ارائه می دهد. این نرم افزار از بیش از صد client منبع باز پشتیبانی می کند و به برنامه نویسان طیف گسترده ای از زبان های برنامه نویسی، مانند Java، Python، PHP، C، C++، C#، JavaScript، Node.js، Ruby، R، Go را ارائه می دهد.

معایب استفاده از پایگاه داده Redis

نگرانی در خصوص از دست دادن داده ها

مشکل مهم Redis این است که داده ها را فقط در حافظه ذخیره می کند و در صورت خرابی یا خاموش شدن سیستم امکان از دست رفتن آنها وجود دارد. برای حل این مشکل، Redis راه حل هایی مانند ماندگاری (persistence) و کپی گرفتن (replication) را ارائه می دهد، که امکان ذخیره داده ها در دیسک و تکثیر در چندین سرور را فراهم می کند. با این حال، پیاده سازی این ویژگی ها می تواند باعث پیچیدگی شود، که ممکن است برای هر برنامه ای مناسب نباشد.

مناسب نبودن در برنامه های پیچیده

Redis به عنوان یک سیستم تک رشته ای عمل می کند که قادر به پردازش تنها یک دستور در یک زمان است. این ویژگی در برنامه هایی که به سطوح بالایی از همزمانی و موازی کاری نیاز دارند،باعث محدودیت عملکرد و مقیاس پذیری می شود.

برای رفع این محدودیت، Redis ویژگی هایی مانند خوشه بندی و اشتراک گذاری را ارائه می دهد، که داده ها را در چندین سرور توزیع می کند. با این حال، شایان ذکر است که پیکربندی و مدیریت این ویژگی‌ها می‌تواند پیچیده باشد.

ظرفیت ذخیره سازی محدود

Redis در درجه اول یک پایگاه داده در حافظه است، به این معنی که داده ها را در RAM سرور برای دسترسی سریعتر ذخیره می کند؛ درنتیجه باعث اعمال محدودیت در میزان ذخیره داده ها می شود، زیرا میزان ذخیره سازی داده به حافظه موجود بستگی دارد. اگر مجموعه داده شما بیش از ظرفیت حافظه باشد، ممکن است لازم باشد به اشتراک گذاری یا استفاده از تکنیک های دیگر برای مدیریت داده ها فکر کنید.

محدودیت های persistence

در حالی که Redis گزینه های persistence (ماندگاری) را برای ذخیره داده ها در دیسک ارائه می دهد، باید توجه داشته باشید که مکانیسم های persistence می توانند بر عملکرد برنامه تأثیر بگذارند. متداول ترین روش persistence، معروف به RDB (Redis Database)، به صورت دوره ای مجموعه داده را در دیسک ذخیره می کند، اما خطر از دست رفتن داده ها بین فواصل ذخیره وجود دارد. روش دیگر، AOF (Append-Only File) است، که داده های جدید را به طوور مداوم در هنگام نوشتن ذخیره می کند، اما می‌تواند منجر به فایل‌های با حجم بیشتر و عملکرد کندتر شود.

فقدان قابلیت جستجوی پیشرفته

Redis اساساً برپایه ذخیره‌سازی کلید-مقدار است، به این معنی که در ساده ترین بازیابی و دستکاری داده‌ها، کلیدها برتری دارند. با این حال، در مقایسه با پایگاه داده های رابطه ای یا حتی برخی از پایگاه های داده NoSQL، فاقد قابلیت های جستجوی پیشرفته تری است.

محدودیت در انواع داده ها

Redis از مجموعه محدودی از انواع داده ها مانند رشته ها، لیست ها، مجموعه ها، هش ها و مجموعه های مرتب شده پشتیبانی می کند. در حالی که این نوع داده ها بسیار پرکاربرد هستند و موارد استفاده زیادی را پوشش می دهند، ممکن است برای سناریوهای خاصی که به ساختارهای داده تخصصی یا پیچیده تری نیاز دارند، کافی نباشد. این محدودیت گاهی اوقات می تواند پیچیدگی بیشتری را در منطق برنامه ایجاد کند یا نیاز به ادغام سایر پایگاه های داده را در کنار Redis ایجاب کند.

چالش های مقیاس بندی

Redis را می توان با تنظیم چندین نسخه Redis یا استفاده از Redis Cluster به صورت افقی مقیاس کرد. با این حال، اشتراک گذاری و توزیع داده ها در چندین نسخه می تواند پیچیدگی و چالش های بالقوه ای را در حفظ ثبات داده ها ایجاد کند.

عدم وجود ویژگی های امنیتی داخلی

Redis ویژگی های امنیتی داخلی پیشرفته، مانند مکانیزم های کنترل دسترسی یا احراز هویت را ارائه نمی دهد. به‌طور پیش‌فرض، Redis هیچ احراز هویت فعالی ندارد، به این معنی که هر کسی که با شبکه به سرور دسترسی دارد می‌تواند با پایگاه داده تعامل داشته باشد. پیکربندی صحیح قوانین فایروال و اجرای اقدامات امنیتی اضافی برای محافظت از نسخه های Redis ضروری است.

توجه به این نکته مهم است که در حالی که این معایب وجود دارد، Redis همچنان یک ابزار محبوب و قدرتمند برای بسیاری از موارد است، به ویژه زمانی که دسترسی سریع به داده ها و حافظه پنهان با کارایی بالا مورد نیاز است. معایب آن را می توان اغلب بسته به نیازها و نیازهای خاص برنامه کاهش داد یا از بین برد.

موارد استفاده و پیاده سازی Redis

بنابراین، چه کاربردهایی وجود دارد که باعث می شود بخواهید از Redis استفاده کنید؟

ذخیره سازی در حافظه پنهان (Caching)

یکی از رایج ترین موارد استفاده برای Redis، حافظه پنهان است. با ذخیره داده هایی که اغلب به آنها دسترسی دارید، می توانید بار روی پایگاه داده اولیه خود را، به میزان قابل توجهی کاهش دهید و عملکرد کلی برنامه را بهبود بخشید. وجود ویژگی‌هایی مانند زمان انقضا و سیاست‌های تخلیه، آن را برای پیاده‌سازی یک caching layer ایده‌آل می‌کند.

ذخیره Session

Redis به دلیل قابلیت خواندن و نوشتن سریع به طور گسترده به عنوان ذخیره کننده Session (نشست) استفاده می شود. ذخیره داده‌های نشست ها در Redis تضمین می‌کند که می‌توان به Session های کاربر دسترسی پیدا کرد و به‌سرعت به‌روزرسانی شد و بدین ترتیب تجربه کاربری یکپارچه را ارائه می‌دهد. علاوه بر این، از ساختارهای داده پیشرفته مانند مجموعه ها و مجموعه های مرتب شده پشتیبانی می کند و مدیریت نشست های کارآمد را ممکن می سازد.

صف(Queueing) شغل و تسک

پشتیبانی Redis از لیست ها و عملیات اتمی، آن را برای اجرای صف های کار و وظایف مناسب می کند. با استفاده از لیست‌های Redis، می‌توانید کارها یا وظایف(tasks) را در یک صف قرار دهید و کاربران می‌توانند آنها را به شیوه‌ی اولین ورود، اولین خروج (FIFO) به کار ببرند. این رویکرد برای پردازش در پس‌زمینه، اجرای وظایف غیرهمزمان، یا مدیریت بارهای کاری توزیع شده مفید است.

تجزیه و تحلیل در لحظه(Real-Time)

Redis با توانایی مدیریت حجم بالای داده و عملیات خواندن و نوشتن تقریباً آنی، یک انتخاب عالی برای برنامه‌های تحلیلی آنلاین است. با استفاده از ساختارهای داده مانند لیست ها، هش ها و مجموعه های مرتب شده، می توانید داده ها را در لحظه پردازش و تجزیه و تحلیل کنید و تصمیم گیری مبتنی بر داده را ارائه کنید.

بروکر(Broker) پیام

Redis همچنین به عنوان یک واسط پیام عمل می کند و ارتباط موثر بین اجزای مختلف یک سیستم توزیع شده را امکان پذیر می کند. عملکرد pub/sub (انتشار/اشتراک) آن امکان تبادل پیام بین ناشران و مشترکین را فراهم می‌کند و به‌روزرسانی‌های آنلاین و معماری‌های رویداد محور را تسهیل می‌کند.

ذخیره سازی داده های جغرافیایی

Redis از ذخیره سازی داده های جغرافیایی پشتیبانی می کند و آن را به یک انتخاب عالی برای برنامه های مبتنی بر داده های مکانی تبدیل می کند. می‌توانید داده‌های مکانی مانند مختصات، آدرس‌ها و فواصل را با استفاده از دستورات جغرافیایی Redis ذخیره و جستجو کنید.

یادگیری ماشین (Machine Learning)

در توسعه برنامه های کاربردی داده محور مدرن، استفاده از یادگیری ماشین ضرورت یافته است. این برنامه‌ها وظیفه پردازش سریع حجم وسیعی از داده‌ها، در انواع مختلف را دارند و فرآیندهای تصمیم‌گیری را خودکار می‌کنند. Redis یک گزینه اصلی به عنوان پلتفرم پایگاه داده منتخب برای چنین برنامه هایی است.

موارد گفته شده تنها چند نمونه از کابردهای Redis به عنوان یک پایگاه داده در حافظه (in-memory database) هستند. سرعت، سادگی و مجموعه ای از ویژگی های غنی، آن را به ابزاری پرکاربرد برای برنامه های مختلف تبدیل می کند، که به دسترسی سریع به داده ها، پردازش در لحظه و ذخیره سازی کارآمد نیاز دارند.

پایگاه داده Redis در مقایسه با سایر پایگاه های داده

انتخاب یک راه حل مناسب برای ذخیره سازی داده ها پیامدهای مهمی برای شرکت ها و عملیات روزانه آنها دارد. هنگامی که با چالش انتخاب پایگاه داده مواجه می شوید، ارزیابی الزامات و اولویت بندی دقیق عملیات ضروری، بسیار مهم می شود.

در حالی که برخی از شرکت ها ذخیره حجم زیادی از داده ها را در اولویت قرار می دهند، برخی دیگر تاکید بیشتری بر بازیابی سریع داده ها دارند. تصمیم نهایی در مورد انتخاب پایگاه داده به در نظر گرفتن این عوامل بستگی دارد.

Redis Vs MongoDB

هر دو پایگاه داده NoSQL از محبوبیت قابل توجهی برخوردار هستند. MongoDB به دلیل مقیاس پذیری و عملکرد مناسب در جستجو متمایز است، در حالی که Redis در ارائه دستورات سریع و قابلیت های کش کارآمد برتر است. هر دو گزینه ویژگی ها و نقاط قوت قابل توجهی را در قلمرو NoSQL ارائه می دهند؛ الزامات خاص پروژه یا سازمان شما باعث انتخاب یکی از آن ها می شود.

Redis vs Memcached

پایگاه داده دیگری که به طور منظم با Redis مقایسه می شود Memcached است. هر دو پایگاه داده‌های قوی، منبع باز و در حافظه (in-memory) هستند. تمایز کلیدی بین این دو در عملکرد و موارد استفاده مورد نظر آنها نهفته است. Redis یک پایگاه داده جامع است که برای موارد استفاده مختلف طراحی شده است و طیف گسترده ای از ویژگی ها را ارائه می دهد. از سوی دیگر، Memcached در درجه اول برای اهداف value caching استفاده می شود. در حالی که Redis هم به عنوان یک ابزار کش و هم به عنوان یک پایگاه داده با امکانات کامل عمل می کند، Memcached در درجه اول بر روی ذخیره سازی(caching) داده ها تمرکز دارد.

نتیجه گیری

در پایان باید گفت ، Redis یک پایگاه داده در حافظه (in-memory) پرکاربرد و قدرتمند است که قابلیت های زیادی را ارائه می دهد. سرعت، مقیاس‌پذیری و مجموعه ویژگی‌های غنی آن را به انتخابی برتر برای بسیاری از توسعه‌دهندگان و کسب‌وکارها در سراسر جهان تبدیل کرده است.