初學者指南：Redis 是什麼？完整介紹與應用解析

在現代的應用開發中，資料庫的性能往往是決定系統效能的關鍵因素。

無論是網站、手機應用程式，還是各種數據密集型應用，如何快速存取數據成為開發者最關心的問題之一。

這時候，Redis 便成為一個不可忽視的解決方案。

Redis 是一種高效的鍵值（Key-Value）資料庫，主要用於快取、會話管理、即時分析等場景。

它以極快的讀寫速度、豐富的資料結構、支援分散式與持久化等特性，成為許多開發者提升應用效能的重要工具。

本篇文章將詳細介紹 Redis 是什麼、其核心特性、常見應用場景，以及如何開始使用 Redis，讓初學者也能輕鬆上手這款強大的資料庫技術。

什麼是鍵值（Key-Value）資料庫？

鍵值（Key-Value）資料庫是一種 NoSQL 資料庫類型，它的數據儲存方式非常簡單，類似於 字典（Dictionary）或哈希表（Hash Table）。

每筆資料都有一個唯一的「鍵（Key）」，對應一個「值（Value）」。

這種類型的資料庫擅長 高速讀取、寫入與擴展性，因此常用於快取系統、會話管理、即時數據處理等應用場景。

鍵值（Key-Value）資料庫的運作方式

鍵值資料庫的工作原理類似於一個 字典（Dictionary），舉個例子：

範例操作（以 Redis 為例）

存入資料

SET user:1001 '{"name": "Alice", "age": 25, "email": "alice@example.com"}'

取得資料

GET user:1001

返回結果

{"name": "Alice", "age": 25, "email": "alice@example.com"}

在這個例子中：

• Key（鍵） 是 "user:1001"
• Value（值） 是一個 JSON 字串 {"name": "Alice", "age": 25, "email": "alice@example.com"}

這種存取方式非常快速，因為資料庫可以直接透過 Key 查找到對應的 Value，不需要像關聯式資料庫（SQL）一樣執行複雜的查詢。

鍵值資料庫 vs. 關聯式資料庫（SQL）

鍵值（Key-Value）資料庫的特點

1. 極快的讀寫速度（O(1) 時間複雜度）
   • 由於數據是根據 Key 直接存取，所以檢索速度極快，適合需要高性能的應用。
2. 結構簡單，靈活性高
   • 只需存儲 Key-Value，無需定義固定的結構（不像 SQL 需要設計表格）。
3. 高可擴展性
   • Key-Value 資料庫容易做 分布式擴展，適合大規模應用。
4. 適合快取與即時數據處理
   • 由於 Key-Value 檢索速度快，常用於 快取（Cache）、Session 管理、計數器、分散式鎖 等場景。

常見的鍵值資料庫

MongoDB 是鍵值資料庫嗎？

MongoDB 屬於 NoSQL（非關聯式資料庫）的一種，但它不是純粹的鍵值資料庫（Key-Value Database）。MongoDB 更準確的分類是：

• 文件型（Document-Oriented）資料庫，因為它存儲的是結構化的 JSON 文件（實際上是 BSON）。
• 支援靈活的查詢，不像典型的 Key-Value 資料庫只能透過 Key 存取。

雖然 MongoDB 的資料以 JSON 格式 存儲，並且 JSON 內部確實包含 Key-Value 結構，例如：

{
  "_id": "12345",
  "name": "Alice",
  "age": 25,
  "email": "alice@example.com",
  "address": {
    "street": "123 Main St",
    "city": "New York"
  }
}

但 MongoDB 不只是透過「鍵」來存取「值」，它還支援：

• 複雜的篩選與查詢（類似 SQL）： db.users.find({ "name": "Alice" })
• 索引（Indexing），加速查詢。
• 嵌套結構與關聯，如 address 欄位內含多個鍵值。

MongoDB vs. 鍵值資料庫（Redis）的關鍵差異

MongoDB vs. 純 Key-Value 資料庫

MongoDB 能根據欄位查詢，而 Key-Value 資料庫只能根據 Key 查找

• MongoDB：

db.users.find({ "name": "Alice" })  // 可以根據 name 查詢

• Redis（或純 Key-Value DB）：

GET user:1001  # 只能透過 Key 來存取，無法查詢內部欄位

• 差異點：MongoDB 提供更靈活的查詢方式，而 Key-Value 資料庫只能根據 Key 取值。

MongoDB 支援嵌套結構，而 Key-Value 資料庫不支援

• MongoDB（可以儲存嵌套的 JSON）

{
  "_id": "12345",
  "name": "Alice",
  "address": {
    "street": "123 Main St",
    "city": "New York"
  }
}

• Redis（通常只能存儲單一值，無法存入複雜結構）

SET user:1001 "Alice"

• 差異點：MongoDB 可用 JSON 儲存完整的文件，Key-Value 資料庫則通常只能存單一值或基本數據結構。

MongoDB 主要用於長期數據存儲，Key-Value 資料庫主要用於快取

• MongoDB：儲存完整的應用數據，如使用者資訊、商品資訊、訂單記錄。

• Redis / Key-Value DB：適用於快取（Cache）、排行榜、Session 管理，如果系統重啟，可能會清除資料。

MongoDB 可以當作鍵值資料庫來使用嗎？

可以，但不建議！雖然 MongoDB 支援根據 _id 存取特定文件，類似於 Key-Value 存取方式：

db.users.findOne({ "_id": "12345" })

但如果你的需求只是 快取、Session 管理、排行榜、計數器，MongoDB 的效能不如 Redis，因為：

• MongoDB 需要查詢與索引，這比直接存取 Key-Value 慢。
• MongoDB 消耗更多存儲空間（BSON 格式比純 Key-Value 需要更多儲存空間）。
• Redis 直接從記憶體讀取，速度比 MongoDB 快很多。

Redis 是什麼？

Redis（Remote Dictionary Server，遠端字典伺服器）是一種開源的記憶體資料庫，主要用來存儲鍵值（Key-Value）對，並支援多種資料結構。

例如字串（String）、列表（List）、集合（Set）、有序集合（Sorted Set）、哈希（Hash）等。

Redis 的基本特性

graph TD
  A[用戶請求] -->|查詢資料| B[應用伺服器]
  
  subgraph "快取層"
    C["Redis（記憶體快取）"]
  end
  
  subgraph "資料庫層"
    D["SQL 資料庫（如 MySQL, PostgreSQL）"]
  end

  B -->|先查詢快取| C
  C -- 有快取 --> B
  C -- 無快取 --> D
  D -->|回傳資料，並存入 Redis| C
  B -->|回應用戶| A

• 基於記憶體運作，速度極快：
  • Redis 主要將數據存放在 RAM 中，因此讀寫速度極快，相較於傳統關聯式資料庫（如 MySQL、PostgreSQL），它的效能可以提升數十倍甚至上百倍。
• 支援多種資料結構：
  • 除了基本的鍵值存儲，Redis 還支援 列表（List）、集合（Set）、有序集合（Sorted Set）、哈希（Hash），這讓它能夠適用於不同的應用場景。
• 支援持久化機制：
  • 雖然 Redis 是記憶體型資料庫，但它提供了 RDB（快照） 和 AOF（追加式記錄） 兩種持久化機制，確保數據不會因為系統崩潰而完全丟失。
• 支援分散式與叢集架構：
  • Redis 原生支援 Master-Slave（主從）架構，並且提供 Redis Cluster，允許系統水平擴展，適應大規模應用需求。
• 提供 Pub/Sub 訊息機制：
  • Redis 內建 發佈/訂閱（Publish/Subscribe） 功能，可用於即時通訊、訊息佇列等應用。

Redis 的應用場景

由於 Redis 具備高效的讀寫速度與多樣化的資料結構，它在許多領域都有廣泛的應用，以下是一些最常見的 Redis 使用場景：

1. 快取（Cache）

Redis 最常見的用途之一就是作為快取，以減少資料庫查詢壓力，加快應用的響應時間。例如：

• 網頁快取：將動態內容的計算結果暫存，提高網頁加載速度。
• API 回應快取：對重複請求的 API 回應做暫存，降低伺服器負載。

2. 會話管理（Session Management）

許多網站使用 Redis 來存儲用戶的會話數據，因為它的內存存取速度快，能夠快速存取用戶登錄狀態、購物車等資訊。

3. 計數器與排名系統

Redis 的 原子性遞增/遞減（INCR/DECR） 操作非常適合計數應用，例如：

• 網站瀏覽量統計
• 用戶點擊數
• 遊戲排行榜（使用有序集合 Sorted Set 來實現）

4. 分散式鎖（Distributed Lock）

在多伺服器環境下，Redis 可用來實現分散式鎖機制，確保多個應用程式不會同時修改同一份資料，避免競爭條件（Race Condition）問題。

5. 訊息佇列與即時通知

Redis 提供 Pub/Sub（發佈/訂閱）功能，可以用於即時通訊系統，如：

• 聊天室訊息推送
• 即時通知（如推播、訂單狀態變更）

Redis 與 MongoDB 的數據存儲方式

graph TD
  A[CPU] -->|快取數據| B(RAM 記憶體)
  A -->|指令與運算| B
  B -->|"存取快取/記憶體資料"| A
  B -->|載入應用程式數據| C(HDD/SSD 硬碟)

  %% Redis 運作於記憶體層級
  subgraph "記憶體（RAM）層"
    D["Redis（記憶體資料庫）"] -->|極高速存取| B
  end

  %% MongoDB 與 SQL 存儲於硬碟
  subgraph "硬碟（HDD/SSD）層"
    E["MongoDB（NoSQL 文件型資料庫）"] -->|讀取/寫入文件| C
    F["SQL 資料庫（如 MySQL, PostgreSQL）"] -->|讀取/寫入結構化數據| C
  end

  %% MongoDB 與 SQL 會透過快取加速存取
  B -->|載入快取數據| D

Redis：主要儲存在記憶體

Redis 是 記憶體型（In-Memory）資料庫，這意味著：

• 數據主要存放在 RAM 中，這使得它的讀取速度極快（比傳統硬碟存取快上百倍）。
• 但如果電腦斷電，未持久化的數據會丟失，所以 Redis 提供了 持久化機制（RDB & AOF）。

💡 Redis 如何決定數據存放位置？

• 預設情況下，所有數據都存放在 RAM（記憶體）。
• 你可以開啟 RDB（快照）或 AOF（追加式記錄），這樣 Redis 會定期將數據存入硬碟：
  • RDB（Redis Database）：定時將記憶體數據存入硬碟，減少 I/O 操作。
  • AOF（Append-Only File）：每次有新數據時，會將變更記錄存入硬碟，確保數據不會丟失。

MongoDB：主要儲存在硬碟，但會使用記憶體快取

MongoDB 是 文件型 NoSQL 資料庫，它的數據主要存放在硬碟（Disk），但同時也會使用記憶體（RAM）來加速存取。

💡 MongoDB 如何決定數據存放位置？

• 預設情況下，所有數據都寫入 硬碟（Disk）。
• 但為了加速查詢，MongoDB 使用 內建的快取機制：
  • 最近使用的數據會被載入記憶體（RAM），類似於作業系統的「頁面快取（Page Cache）」。
  • 當 MongoDB 需要存取數據時，會先檢查記憶體，如果數據已經載入，就不需要讀取硬碟，速度更快。
  • 如果記憶體不足，則會釋放舊數據，確保新數據能夠被載入。

👉 這樣的機制讓 MongoDB 既能保證數據長期存儲在硬碟，又能透過記憶體加速存取。

電腦如何知道應該用記憶體還是硬碟？

這其實是由 應用程式的設計 + 作業系統的記憶體管理機制 決定的。

📌 應用程式（MongoDB / Redis）會明確告訴作業系統該怎麼存儲數據

• Redis 預設將所有數據存放在記憶體中，除非你開啟持久化，它才會將數據寫入硬碟。
• MongoDB 預設將數據存入硬碟，但會讓作業系統幫忙「快取」熱數據到記憶體。

📌 作業系統的記憶體管理

• 當應用程式需要大量記憶體時，作業系統會決定哪些數據應該保留在 RAM，哪些應該寫入硬碟。
• 如果記憶體不夠，作業系統可能會使用「虛擬記憶體（Swap）」來將部分數據暫存到硬碟，但這會降低效能。

📌 安裝時不需要手動指定存放位置

• 在安裝 Redis 或 MongoDB 時，不需要特別設定「這些數據要放 RAM，那些數據要放硬碟」，因為這是應用程式自動決定的。
• 但是，你可以手動調整配置，例如：
  • 修改 Redis 設定檔 來開啟持久化（redis.conf）
  • 調整 MongoDB 記憶體使用量 來最佳化效能（wiredTigerCacheSizeGB）

總結

👉 結論

• Redis：主要存放在記憶體，除非開啟持久化，否則數據不會寫入硬碟。
• MongoDB：主要存放在硬碟，但會使用記憶體快取熱數據，加速讀取。
• 作業系統不需要手動指定存放位置，應用程式會自動決定，但你可以調整配置來最佳化效能。

如何開始使用 Redis？

如果你是第一次接觸 Redis，可以透過以下步驟開始學習與實作：

安裝 Redis

Redis 支援多種作業系統，以下是安裝方式：

（1）Linux / macOS 安裝

# 使用 Homebrew 安裝（macOS）
brew install redis

# 使用 apt 安裝（Ubuntu）
sudo apt update
sudo apt install redis-server

# 啟動 Redis
redis-server

（2）Windows 安裝

官方不提供 Windows 版 Redis，但可以使用 WSL（Windows Subsystem for Linux） 或下載社群版 Redis。

連線 Redis

安裝完成後，可以使用 Redis CLI 進行測試：

redis-cli

然後嘗試執行以下指令：

SET name "Redis 初學者指南"
GET name

如果成功返回 "Redis 初學者指南"，表示 Redis 正常運作！

基本指令介紹

Redis 的操作以 鍵值（Key-Value） 形式存儲數據，以下是一些基本指令：

這些指令是 Redis 最基礎的操作，學會後可以進一步學習進階應用，如 Lua 腳本、Redis 叢集等。

結論

Redis 是一款高效、靈活且用途廣泛的記憶體資料庫，不論是作為快取、會話管理、計數器、排行榜、訊息佇列等場景，都是提升應用效能的利器。

對於初學者而言，理解 Redis 的核心概念、學習基本指令，並動手實作一些應用場景，是入門 Redis 最好的方式。

如果你正在尋找一款高性能的資料庫來優化系統效能，Redis 絕對值得學習與使用！

希望這篇指南能幫助你更快地掌握 Redis 的基礎知識，讓你在未來的開發中得心應手。