redis高级应用

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鸵鸟要抬头
2016.10.10 15:01* 字数 7576

摘自http://xiaoh.me/2016/06/30/redis-advanced/

排序

redis支持对list,set和sorted set元素的排序。排序命令是sort完整的命令格式如下

127.0.0.1:6379>helpsortSORTkey[BY pattern][LIMIT offset count][GET pattern [GET pattern ...]][ASC|DESC][ALPHA][STORE destination]summary:Sort the elements in a list, set or sorted set  since:1.0.0group: generic127.0.0.1:6379>

sort key

这种是直接对一个数据结构进行排序

127.0.0.1:6379>rpush l34152(integer)5127.0.0.1:6379>lrange l051)"3"2)"4"3)"1"4)"5"5)"2"127.0.0.1:6379>sort l1)"1"2)"2"3)"3"4)"4"5)"5"127.0.0.1:6379>

对set进行添加变量的时候,他会自动排序,所以用不到sort这种简单的功能。

[ASC|DESC] [ALPHA]

sort默认的排序方式(asc)是从小到大排的,当然也可以按照逆序或者按字符顺序排。逆序可以加上desc选项,想按字母顺序排可以加alpha选项,当然alpha可以和desc一起用。下面是个按字母顺序排的例子

127.0.0.1:6379>lpush l xiaoh huo xingming beijing changping(integer)5127.0.0.1:6379>lrange l051)"changping"2)"beijing"3)"xingming"4)"huo"5)"xiaoh"127.0.0.1:6379>sort l alpha1)"beijing"2)"changping"3)"huo"4)"xiaoh"5)"xingming"127.0.0.1:6379>sort l alpha desc1)"xingming"2)"xiaoh"3)"huo"4)"changping"5)"beijing"127.0.0.1:6379>

[BY pattern]

Redis 支持将集合元素内容按照给定的pattern进行组合成新的KEY, 并按照新的KEY的对应内容进行排序,如下:

127.0.0.1:6379>lpushlesgfa(integer) 5127.0.0.1:6379>lrangel0 91) "a"2) "f"3) "g"4) "s"5) "e"127.0.0.1:6379>sortlalpha1) "a"2) "e"3) "f"4) "g"5) "s"127.0.0.1:6379>setnamea4OK127.0.0.1:6379>setnamee5OK127.0.0.1:6379>setnamef3OK127.0.0.1:6379>setnameg1OK127.0.0.1:6379>setnames2OK127.0.0.1:6379>sortlbyname*1) "g"2) "s"3) "f"4) "a"5) "e"127.0.0.1:6379>setnameaxiaohOK127.0.0.1:6379>setnameemeOK127.0.0.1:6379>setnamefhuoOK127.0.0.1:6379>setnamegblogOK127.0.0.1:6379>setnamesxingmingOK127.0.0.1:6379>sortlbyname*alpha1) "g"2) "f"3) "e"4) "a"5) "s"127.0.0.1:6379>

以上实验了数字和字母的对应KEY,可以看出,在生成对应的新kEY之后,按照对应的内容进行了排序,并且返回的是原来的key的排序。

[GET PATTERN]

上面的方法返回的是原始的数据内容,如果想获得新的KEY对应的值(也就是进行排序的KEY)可以使用 GET PATTERN

127.0.0.1:6379>sort l by name* alpha get name*1)"blog"2)"huo"3)"me"4)"xiaoh"5)"xingming"127.0.0.1:6379>sort l by name* alpha get name* get#1)"blog"2)"g"3)"huo"4)"f"5)"me"6)"e"7)"xiaoh"8)"a"9)"xingming"10)"s"127.0.0.1:6379>

GET 可以多次使用,上面就是一个例子,获取新的对应值的时候,将原始的内容也进行了获取。

也可以根据自己的内容排序,之后获取对应PATTERN值得列表

127.0.0.1:6379>sort l alpha1)"a"2)"e"3)"f"4)"g"5)"s"127.0.0.1:6379>sort l alpha get name*1)"xiaoh"2)"me"3)"huo"4)"blog"5)"xingming"127.0.0.1:6379>

这里的GET还可以获取对象中的一个字段的值(hash可以作为对象来使用)使用特殊字符->

127.0.0.1:6379>lpushl5 3 4 2 1(integer) 5127.0.0.1:6379>hsetuser1namethis(integer) 1127.0.0.1:6379>hsetuser4namexiaoh(integer) 1127.0.0.1:6379>hsetuser2nameblog(integer) 1127.0.0.1:6379>hsetuser5nameme(integer) 1127.0.0.1:6379>hsetuser3namefrom(integer) 1127.0.0.1:6379>sortlgetuser*->name1) "this"2) "blog"3) "from"4) "xiaoh"5) "me"127.0.0.1:6379>

如果对应的hash对象不存在,会返回(nil)

[LIMIT start count]

默认排序结果全部显示,可以使用LIMIT来限制显示的数量,下标start默认从0开始

127.0.0.1:6379>sortllimit2 31) "3"2) "4"3) "5"127.0.0.1:6379>127.0.0.1:6379>sortlgetuser*->namelimit1 31) "blog"2) "from"3) "xiaoh"127.0.0.1:6379>

[STORE dstkey]

如果对集合经常按照固定的模式去排序,那么把排序结果缓存起来会减少不少cpu开销.使用store选项可以将排序内容保存到指定key中。保存的类型是list

127.0.0.1:6379>sortlgetuser*->namelimit1 3storedst(integer) 3127.0.0.1:6379>lrangedst0-11) "blog"2) "from"3) "xiaoh"127.0.0.1:6379>

功能介绍完后,再讨论下关于排序的一些问题。如果我们有多个redis server的话,不同的key可能存在于不同的server上。比如name1 name2 name3 name4 name5,很有可能分别在多个不同的server上存贮着。这种情况会对排序性能造成很大的影响。

redis作者在他的blog上提到了这个问题的解决办法,就是通过key tag将需要排序的key都放到同一个server上 。

由于具体决定哪个key存在哪个服务器上一般都是在client端hash的办法来做的。我们可以通过只对key的部分进行hash.

举个例子假如我们的client如果发现key中包含[]。那么只对key中[]包含的内容进行hash。我们将四个name相关的key,都这样命名[name]1 [name]2 [name]3 [name]4 [name]5,于是client程序就会把他们都放到同一server上。

还有一个问题也比较严重。如果要sort的集合非常大的话排序就会消耗很长时间。由于redis单线程的,所以长时间的排序操作会阻塞其他client的请求。解决办法是通过主从复制机制将数据复制到多个slave上。然后我们只在slave上做排序操作。并进可能的对排序结果缓存。另外就是一个方案是就是采用sorted set对需要按某个顺序访问的集合建立索引。

事物

redis对事务的支持目前还比较简单。redis只能保证一个client发起的事务中的命令可以连续的执行,而中间不会插入其他client的命令。由于redis是单线程来处理所有client的请求的所以做到这点是很容易的。

multi

一般情况下redis在接受到一个client发来的命令后会立即处理并返回处理结果,但是当一个client在一个连接中发出multi命令,这个连接会进入一个事务上下文,该连接后续的命令并不是立即执行,而是先放到一个队列中。当从此连接受到exec命令后,redis会顺序的执行队列中的所有命令。并将所有命令的运行结果打包到一起返回给client.然后此连接就结束事务上下文.

127.0.0.1:6379>multiOK127.0.0.1:6379>incraQUEUED127.0.0.1:6379>incraQUEUED127.0.0.1:6379>incrbQUEUED127.0.0.1:6379>exec1) (integer) 12) (integer) 23) (integer) 1127.0.0.1:6379>

例子中已经说明,当执行incr aincr b的时候,是放到了队列里面,当exec时,执行了队列中的命令。

当事物写到一半,可以用discard来取消事物

127.0.0.1:6379>multiOK127.0.0.1:6379>incraQUEUED127.0.0.1:6379>incrbQUEUED127.0.0.1:6379>discardOK127.0.0.1:6379>geta"2"127.0.0.1:6379>getb"1"127.0.0.1:6379>

可以发现这次incr aincr b都没被执行。discard命令其实就是清空事务的命令队列并退出事务上下文

watch

Watch监视一个(或多个) key ,如果在事务执行之前这个(或这些) key 被其他命令所改动,那么事务将被打断。

127.0.0.1:6379>watchaOK127.0.0.1:6379>geta"5"127.0.0.1:6379>seta6OK127.0.0.1:6379>incra(integer) 7127.0.0.1:6379>geta"7"127.0.0.1:6379>multiOK127.0.0.1:6379>seta2QUEUED127.0.0.1:6379>exec(nil)127.0.0.1:6379>geta"7"127.0.0.1:6379>

execdiscardunwatch会清除watch的监听

缺点

redis的事务实现是如此简单,当然会存在一些问题。第一个问题是redis只能保证事务的每个命令连续执行,但是如果事务中的一个命令失败了,并不回滚其他命令,比如使用的命令类型不匹配。

127.0.0.1:6379>setb1OK127.0.0.1:6379>setaeOK127.0.0.1:6379>multiOK127.0.0.1:6379>incraQUEUED127.0.0.1:6379>incrbQUEUED127.0.0.1:6379>exec1) (error)ERRvalueisnotanintegeroroutofrange2) (integer) 2127.0.0.1:6379>

可以发现,虽然执行中间有问题,但并没有回滚,其他命令还是执行了。

最后一个十分罕见的问题是,当事务的执行过程中,如果redis意外的挂了。很遗憾只有部分命令执行了,后面的也就被丢弃了。当然如果我们使用的append-only file方式持久化,redis会用单个write操作写入整个事务内容。即是是这种方式还是有可能只部分写入了事务到磁盘。发生部分写入事务的情况下,redis重启时会检测到这种情况,然后失败退出。可以使用redis-check-aof工具进行修复,修复会删除部分写入的事务内容。修复完后就能够重新启动了。

管道

redis是一个cs模式的tcp server,使用和http类似的请求响应协议。

一个client可以通过一个socket连接发起多个请求命令。每个请求命令发出后client通常会阻塞并等待redis服务处理,redis处理完后请求命令后会将结果通过响应报文返回给client。基本的通信过程如下

Client:INCR XServer:1Client:INCR XServer:2Client:INCR XServer:3Client:INCR XServer:4

基本上四个命令需要8个tcp报文才能完成。由于通信会有网络延迟,假如从client和server之间的包传输时间需要0.125秒。那么上面的四个命令8个报文至少会需要1秒才能完成。这样即使redis每秒能处理100个命令,而我们的client也只能一秒钟发出四个命令。这显示没有充分利用redis的处理能力。除了可以利用mget,mset之类的单条命令处理多个key的命令外我们还可以利用pipeline的方式从client打包多条命令一起发出,不需要等待单条命令的响应返回,而redis服务端会处理完多条命令后会将多条命令的处理结果打包到一起返回给客户端。通信过程如下

Client:INCR XClient:INCR XClient:INCR XClient:INCR XServer:1Server:2Server:3Server:4

假设不会因为tcp报文过长而被拆分。可能两个tcp报文就能完成四条命令,client可以将四个incr命令放到一个tcp报文一起发送,server则可以将四条命令的处理结果放到一个tcp报文返回。

通过pipeline方式当有大批量的操作时候。我们可以节省很多原来浪费在网络延迟的时间。需要注意到是用pipeline方式打包命令发送,redis必须在处理完所有命令前先缓存起所有命令的处理结果。打包的命令越多,缓存消耗内存也越多。所以并是不是打包的命令越多越好。具体多少合适需要根据具体情况测试。

下面是我测试是否使用pipeline的代码:

fromredisimportRedisimporttimer = Redis()defwithout_pipeline(times=100000):r.set('a',0)foriinrange(times):        r.incr('a')defuse_pipeline(times=100000):r.set('a',0)    r.set('a',0)    pip = r.pipeline()foriinrange(times):        pip.incr('a')    pip.execute()start = time.time()without_pipeline()end = time.time()print'without pipeline spendtime:%f'% (end-start)start = time.time()use_pipeline()end = time.time()print'use pipeline spendtime:%f'% (end-start)

结果为:

withoutpipelinespendtime:4.221240use pipeline spendtime:1.572646

看起来对效果提升还是很明显的。

发布/订阅

发布订阅(pub/sub)是一种消息通信模式,主要的目的是解耦消息发布者和消息订阅者之间的耦合,这点和设计模式中的观察者模式比较相似。

pub/sub不仅仅解决发布者和订阅者直接代码级别耦合也解决两者在物理部署上的耦合。redis作为一个pub/sub server,在订阅者和发布者之间起到了消息路由的功能。订阅者可以通过subscribe和psubscribe命令向redis server订阅自己感兴趣的消息类型,redis将消息类型称为通道(channel)。当发布者通过publish命令向redis server发送特定类型的消息时。订阅该消息类型的全部client都会收到此消息。这里消息的传递是多对多的。一个client可以订阅多个channel,也可以向多个channel发送消息。

Pub/Sub功能(means Publish,Subscribe)即发布及订阅功能。基于事件的系统中,Pub/Sub是目前广泛使用的通信模型,它采用事件作为基本的通信机制,提供大规模系统所要求的松散耦合的交互模式:订阅者(如客户端)以事件订阅的方式表达出它有兴趣接收的一个事件或一类事件;发布者(如服务器)可将订阅者感兴趣的事件随时通知相关订阅者。

Pub/Sub是可适用于可扩展要求高、松散耦合系统的分布式交互模型

在抽象层中,它的时间非耦合、空间非耦合和同步非耦合性可允许参与者不依赖另一个而独立操作,具有一定的可扩展性;然而在实现层,可扩展性仍受其他原因的牵制。

灵活的订阅要求复杂的过滤和路由算法

高可用性开销(事件侦听、日志重传);

消息认可带来的网络流量消耗;

庞大的订阅者数据带来的系统开销;

基于事件的Pub/Sub中间件的开发与利用在一定程度上可以提高系统的效率。

以下是我的测试:

# codeimporttime, redisr = redis.StrictRedis()p = r.pubsub()channel ='channel'defhandler(message):print'Receive msg:%s'% message['data']p.subscribe(**{channel:handler})thread = p.run_in_thread(sleep_time=0.01)time.sleep(60)thread.stop()# running scriptpython pubsub.py# ipythonIn [2]:importredisIn [3]: r = redis.StrictRedis()In [5]: r.publish('channel','xiaoh.me')Out[5]:1LIn [6]: r.publish('channel','my name is xiaoh')Out[6]:1L# script outputReceive msg:xiaoh.meReceive msg:my nameisxiaoh

以上进行了简单的测试。

持久化

Redis是一个支持持久化的内存数据库,也就是说redis需要经常将内存中的数据同步到磁盘来保证持久化。redis支持两种持久化方式,一种是Snapshotting(快照)也是默认方式,另一种是Append-only file(缩写aof)的方式。下面分别介绍

Snapshotting

快照是默认的持久化方式。这种方式是就是将内存中数据以快照的方式写入到二进制文件中,默认的文件名为dump.rdb。可以通过配置设置自动做快照持久化的方式。我们可以配置redis在n秒内如果超过m个key被修改就自动做快照,下面是默认的快照保存配置

save9001#900秒内如果超过1个key被修改,则发起快照保存save30010#300秒内容如超过10个key被修改,则发起快照保存save6010000

下面介绍详细的快照保存过程

redis调用fork,现在有了子进程和父进程。

父进程继续处理client请求,子进程负责将内存内容写入到临时文件。由于os的写时复制机制(copy on write)父子进程会共享相同的物理页面,当父进程处理写请求时os会为父进程要修改的页面创建副本,而不是写共享的页面。所以子进程的地址空间内的数据是fork时刻整个数据库的一个快照。

当子进程将快照写入临时文件完毕后,用临时文件替换原来的快照文件,然后子进程退出。

client也可以使用save或者bgsave命令通知redis做一次快照持久化。

save操作是在主线程中保存快照的,由于redis是用一个主线程来处理所有client的请求,这种方式会阻塞所有client请求。所以不推荐使用。另一点需要注意的是,每次快照持久化都是将内存数据完整写入到磁盘一次,并不是增量的只同步脏数据。如果数据量大的话,而且写操作比较多,必然会引起大量的磁盘io操作,可能会严重影响性能。

另外由于快照方式是在一定间隔时间做一次的,所以如果redis意外down掉的话,就会丢失最后一次快照后的所有修改。如果应用要求不能丢失任何修改的话,可以采用aof持久化方式。

Append-only file

aof比快照方式有更好的持久化性,是由于在使用aof持久化方式时,redis会将每一个收到的写命令都通过write函数追加到文件中(默认是appendonly.aof)。

当redis重启时会通过重新执行文件中保存的写命令来在内存中重建整个数据库的内容。当然由于os会在内核中缓存write做的修改,所以可能不是立即写到磁盘上。这样aof方式的持久化也还是有可能会丢失部分修改。不过我们可以通过配置文件告诉redis我们想要通过fsync函数强制os写入到磁盘的时机。有三种方式如下(默认是:每秒fsync一次)

appendonly yes //启用aof持久化方式

appendfsync always //每次收到写命令就立即强制写入磁盘,最慢的,但是保证完全的持久化,不推荐使用

appendfsync everysec //每秒钟强制写入磁盘一次,在性能和持久化方面做了很好的折中,推荐

appendfsync no //完全依赖os,性能最好,持久化没保证

aof的方式也同时带来了另一个问题。持久化文件会变的越来越大。例如我们调用incr test命令100次,文件中必须保存全部的100条命令,其实有99条都是多余的。因为要恢复数据库的状态其实文件中保存一条set test 100就够了。为了压缩aof的持久化文件。redis提供了bgrewriteaof命令。收到此命令redis将使用与快照类似的方式将内存中的数据以命令的方式保存到临时文件中,最后替换原来的文件。具体过程如下

redis调用fork,现在有父子两个进程

子进程根据内存中的数据库快照,往临时文件中写入重建数据库状态的命令

父进程继续处理client请求,除了把写命令写入到原来的aof文件中。同时把收到的写命令缓存起来。这样就能保证如果子进程重写失败的话并不会出问题。

当子进程把快照内容写入已命令方式写到临时文件中后,子进程发信号通知父进程。然后父进程把缓存的写命令也写入到临时文件。

现在父进程可以使用临时文件替换老的aof文件,并重命名,后面收到的写命令也开始往新的aof文件中追加。

需要注意到是重写aof文件的操作,并没有读取旧的aof文件,而是将整个内存中的数据库内容用命令的方式重写了一个新的aof文件,这点和快照有点类似。

主从复制

Redis主从复制配置和使用都非常简单。通过主从复制可以允许多个slave server拥有和master server相同的数据库副本。

关于redis主从复制的一些特点

master可以有多个slave

除了多个slave连到相同的master外,slave也可以连接其他slave形成图状结构

主从复制不会阻塞master。也就是说当一个或多个slave与master进行初次同步数据时,master可以继续处理client发来的请求。相反slave在初次同步数据时则会阻塞不能处理client的请求。

主从复制可以用来提高系统的可伸缩性,我们可以用多个slave专门用于client的读请求,比如sort操作可以使用slave来处理。也可以用来做简单的数据冗余

可以在master禁用数据持久化,只需要注释掉master配置文件中的所有save配置,然后只在slave上配置数据持久化。

下面介绍下主从复制的过程

当设置好slave服务器后,slave会建立和master的连接,然后发送sync命令。

无论是第一次同步建立的连接还是连接断开后的重新连接,master都会启动一个后台进程,将数据库快照保存到文件中,同时master主进程会开始收集新的写命令并缓存起来。后台进程完成写文件后,master就发送文件给slave,slave将文件保存到磁盘上,然后加载到内存恢复数据库快照到slave上。

接着master就会把缓存的命令转发给slave。而且后续master收到的写命令都会通过开始建立的连接发送给slave。

从master到slave的同步数据的命令和从client发送的命令使用相同的协议格式。当master和slave的连接断开时slave可以自动重新建立连接。

如果master同时收到多个slave发来的同步连接命令,只会使用启动一个进程来写数据库镜像,然后发送给所有slave。

配置slave服务器很简单,只需要在配置文件中加入如下配置

slaveof192.168.1.16379  #指定master的ip和端口

虚拟内存

首先说明下redis的虚拟内存与os的虚拟内存不是一码事,但是思路和目的都是相同的。就是暂时把不经常访问的数据从内存交换到磁盘中,从而腾出宝贵的内存空间用于其他需要访问的数据。尤其是对于redis这样的内存数据库,内存总是不够用的。除了可以将数据分割到多个redis server外。另外的能够提高数据库容量的办法就是使用vm把那些不经常访问的数据交换的磁盘上。

如果我们的存储的数据总是有少部分数据被经常访问,大部分数据很少被访问,对于网站来说确实总是只有少量用户经常活跃。当少量数据被经常访问时,使用vm不但能提高单台redis server数据库的容量,而且也不会对性能造成太多影响。

redis没有使用os提供的虚拟内存机制而是自己在用户态实现了自己的虚拟内存机制,作者在自己的blog专门解释了其中原因。http://antirez.com/post/redis-virtual-memory-story.html

主要的理由有两点

os的虚拟内存是已4k页面为最小单位进行交换的。而redis的大多数对象都远小于4k,所以一个os页面上可能有多个redis对象。另外redis的集合对象类型如list,set可能存在与多个os页面上。最终可能造成只有10%key被经常访问,但是所有os页面都会被os认为是活跃的,这样只有内存真正耗尽时os才会交换页面。

相比于os的交换方式。redis可以将被交换到磁盘的对象进行压缩,保存到磁盘的对象可以去除指针和对象元数据信息。一般压缩后的对象会比内存中的对象小10倍。这样redis的vm会比os vm能少做很多io操作。

下面是vm相关配置

vm-enabled yes #开启vm功能

vm-swap-file /tmp/redis.swap #交换出来的value保存的文件路径/tmp/redis.swap

vm-max-memory 1000000 #redis使用的最大内存上限,超过上限后redis开始交换value到磁盘文件中。

vm-page-size 32 #每个页面的大小32个字节

vm-pages 134217728 #最多使用在文件中使用多少页面,交换文件的大小 = vm-page-size * vm-pages

vm-max-threads 4 #用于执行value对象换入换出的工作线程数量。0表示不使用工作线程(后面介绍)

redis的vm在设计上为了保证key的查找速度,只会将value交换到swap文件中。所以如果是内存问题是由于太多value很小的key造成的,那么vm并不能解决。

和os一样redis也是按页面来交换对象的。redis规定同一个页面只能保存一个对象。但是一个对象可以保存在多个页面中。

在redis使用的内存没超过vm-max-memory之前是不会交换任何value的。当超过最大内存限制后,redis会选择较老的对象。如果两个对象一样老会优先交换比较大的对象,精确的公式swappability = age*log(size_in_memory)。

对于vm-page-size的设置应该根据自己的应用将页面的大小设置为可以容纳大多数对象的大小。太大了会浪费磁盘空间,太小了会造成交换文件出现碎片。

对于交换文件中的每个页面,redis会在内存中对应一个1bit值来记录页面的空闲状态。所以像上面配置中页面数量(vm-pages 134217728)会占用16M内存用来记录页面空闲状态。`

vm-max-threads表示用做交换任务的线程数量。如果大于0推荐设为服务器的cpu core`的数量。如果是0则交换过程在主线程进行。

参数配置讨论完后,在来简单介绍下vm是如何工作的,

当vm-max-threads设为0时(Blocking VM)

** 换出 **

主线程定期检查发现内存超出最大上限后,会直接已阻塞的方式,将选中的对象保存到swap文件中,并释放对象占用的内存,此过程会一直重复直到下面条件满足

内存使用降到最大限制以下

swap文件满了

几乎全部的对象都被交换到磁盘了

** 换入 **

当有client请求value被换出的key时。主线程会以阻塞的方式从文件中加载对应的value对象,加载时此时会阻塞所以client。然后处理client的请求

当vm-max-threads大于0(Threaded VM)

** 换出 **

当主线程检测到使用内存超过最大上限,会将选中的要交换的对象信息放到一个队列中交由工作线程后台处理,主线程会继续处理client请求。

** 换入 **

如果有client请求的key被换出了,主线程先阻塞发出命令的client,然后将加载对象的信息放到一个队列中,让工作线程去加载。加载完毕后工作线程通知主线程。主线程再执行client的命令。这种方式只阻塞请求value被换出key的client

总的来说blocking vm的方式总的性能会好一些,因为不需要线程同步,创建线程和恢复被阻塞的client等开销。但是也相应的牺牲了响应性。threaded vm的方式主线程不会阻塞在磁盘io上,所以响应性更好。

如果我们的应用不太经常发生换入换出,而且也不太在意有点延迟的话则推荐使用blocking vm的方式。

关于redis vm的更详细介绍可以参考下面链接

http://antirez.com/post/redis-virtual-memory-story.html

http://redis.io/topics/internals-vm

文档

http://redisdoc.com/index.html

https://github.com/andymccurdy/redis-py

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