[Redis] 레디스(Redis)란?

 

레디스(Redis)는 메모리 기반의 데이터 저장소이다. 키-밸류(key-value) 데이터 구조에 기반한 다양한 형태의 자료 구조를 제공하며, 데이터들을 저장할 수 있는 저장소이다. 최신 버전의 레디스는 PUB/SUB 형태의 기능을 제공하여 메세지를 전달할 수 있다. 즉, 데이터 저장 뿐만 아니라 다양한 목적으로 사용할 수 있다.레디스는 메모리에 데이터를 저장하기 때문에 저장 공간에 제약이 있어, 주로 보조 데이터 저장소로 사용한다. 이를 극복하기 위해 레디스 클러스터 기능을 제공하고 있어 저장 공간을 확장할 수 있다. 또한 저장된 데이터를 영구적으로 디스크에 저장할 수 있는 백업 기능을 제공하므로 애플리케이션의 주 저장소로도 사용할 수 있다. 또한 메모리에 데이터를 저장하기 때문에 빠른 처리 속도가 장점이다. 레디스 내부에서 명령어를 처리하는 부분은 싱글 스레드 아키텍처로 구현되어 있다. 멀티 스레드 아키텍처보다 구조가 단단하게 설계되어 여러 장점이 있다. - “스프링 부트로 개발하는 MSA 컴포넌트 - 김병부“

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Redis란?

• Key-Value 구조의 저장소 (In-Memory DB)
• 비정형 데이터를 저장, 관리하기 위한 오픈소스 기반의 NoSQL
• 웹 서버의 부담을 획기적으로 줄이고 고속으로 데이터를 제공할 수 있게 함
  • DB(데이터베이스), Cache(캐시), Message Queue, Shared Memory 용으로 사용

In-Memory(인메모리)란?

컴퓨터의 주기억장치인 RAM(램)에 데이터를 적재하여 사용하는 방법으로, RAM에 데이터를 저장하게 되면 메모리 내부에서 처리가 되므로, 데이터를 저장 또는 조회할 때 하드디스크를 오고가는 과정에서의 속도 손실이 줄어 빠르게 데이터에 접근 가능

• 하지만, 서버의 메모리 용량을 초과하는 데이터를 처리할 경우 RAM의 특성인 '휘발성'에 따라 데이터가 유실될 수 있음

 

일반적인 DB는 데이터를 디스크에 직접 저장(Write)하기 때문에 서버에 문제가 발생하여 다운되더라도 데이터가 손실되지 않지만, 매번 디스크에 접근해야 하기 때문에 사용자가 많아질수록 부하가 많아지고 속도가 느려진다.

→ 캐시 서버를 도입하여 사용해야 함. 이때, 캐시 서버로 이용할 수 있는 것이 Redis.

 

같은 요청이 여러 번 들어와도 Redis를 캐시로 이용하면 매번 DB를 거치지 않아도 되므로(캐시 서버에서 필요한 데이터를 가져옴) DB의 부하를 줄이고 속도를 빠르게 유지할 수 있다.

 

 

Redis의 특징

1. 다양한 데이터 타입 지원

레디스는 다양한 형태의 자료 구조를 제공한다. 기본적으로 키-값(Key-Value) 형태의 구조를 사용하며, Value가 사용하는 자료 구조에 따라 여러 기능을 이용할 수 있다. 즉, 어떤 형태의 자료 구조를 사용하더라도 Key는 필수이다.

• String : 문자열 데이터로, 단순 증감 연산으로 사용 가능하다. (INCR, INCRBY, INCRBYFLOAT, HINCRBY, HINCRBYFLOAT, ZINCRBY)
• Bitmap : 비트 연산 가능
• List : 리스트 데이터로, 리스트 아이템은 Linked List 형태로 연결된다.
• Hashe : 해시 데이터로, 해시 필드(Field)와 값(Value)으로 구성된다. 해시 데이터는 레디스 키와 매핑되므로 값을 생성하거나 조회하려면 레디스 키와 필드를 동시에 사용해야 한다.
• Set : 중복을 허용하지 않는 집합
• Sorted Set(Zset) : 스코어 값을 사용하여 정렬 기능을 제공하는 Set
• Hyperloglog : 집합의 데이터 개수를 추정할 수 있는 알고리즘 이름이자 이를 사용할 수 있는 레디스 자료 구조. 비트 패턴을 분석하여 비교적 정확한 추정 값(오차 0.81%)을 계산할 수 있다.
• Stream : 레디스 5.0부터 제공하는 기능으로, 이벤트성 로그를 처리할 수 있다.

 

2. 데이터 백업 기능

인메모리 저장소의 휘발성으로 인해 데이터가 유실될 경우를 방지하여 백업 기능을 제공한다.

• 일부 데이터 손실에 영향을 받지 않는 경우 (캐시로만 사용할 때) = RDB
• 장애 상황 직전까지의 모든 데이터가 보장되어야 하는 경우 = AOF
• 강력한 내구성이 필요한 경우 = RDB + AOF (일반적으로 동시 사용)
  • 매일 N시마다 RDB 스냅샷을 생성하고, RDB 생성 이후 변경되는 데이터는 AOF로 백업하는 방식

1) RDB (Redis DataBase; Snapshotting)

메모리에 있는 데이터 전체에서 스냅샷을 작성하고, 이를 디스크로 저장하는 방식이다. 즉, 순간적으로 메모리에 있는 내용 전체를 디스크에 담아 영구적으로 저장한다.

• 특정 시간마다 여러 개의 스냅샷을 생성하고, 데이터를 복원해야 한다면 스냅샷 파일을 그대로 로딩한다.
• 스냅샷 이후 변경된 데이터는 복구할 수 없는 데이터 유실 문제가 존재한다.

2) AOF (Append Only File)

레디스의 모든 Write, Update 연산들을 모두 로그 파일에 기록하는 방식이다. 즉, 데이터가 변경되는 이벤트가 발생하면 이를 모두 로그에 저장한다.

• 데이터를 생성, 수정, 삭제하는 이벤트를 초 단위로 취합하고 로그 파일에 작성한다.
• 모든 데이터 변경 기록을 보관하고 있으므로 최신 데이터 정보를 백업할 수 있다.
• RDB 방식에 비해 데이터 유실량이 적지만(초 단위 데이터는 유실될 수 있음), 로딩 속도가 느리고 파일 크기가 큰 단점이 존재한다.

Redis 백업 방식 설정

1) RDB

• 자동 : redis.conf 파일에 SAVE 옵션 설정 (시간 기준)
• 수동 : redis-cli에서 BGSAVE 명령 이용하여 수동으로 RDB 파일 저장 (싱글 스레드이므로 SAVE 커맨드 사용 시 파일을 저장하는 동안 다른 작업이 불가하므로 SAVE는 사용하지 말 것)

2) AOF

• 자동 : redis.conf 파일에 auto-aof-rewrite-percentage 옵션 설정 (크기 기준)
• 수동 : redis-cli에서 BGREWRITEAOF 명령 이용하여 수동으로 AOF 파일 재작성

 

3. 싱글 스레드

레디스는 사용자가 실행한 명령어들을 이벤트 루프(Event Loop) 방식으로 처리한다. 클라이언트가 실행한 명령어들을 Event Queue에 적재하고 싱글 스레드로 하나씩 빠르게 처리하는 것.

1) 장점

• 멀티 스레드 환경이 아니기 때문에 아래와 같은 장점이 존재한다.
  • Context Switch(문맥 교환)가 발생하지 않아 효율적으로 시스템 리소스를 사용할 수 있다.
  • Deadlock(교착 상태)이 발생하지 않는다.
  • Race Condition(경쟁 상태)이 발생하지 않는다.

Race Condition이란?

공유 자원에 대해 여러 프로세스가 동시에 접근을 시도할 때, 타이밍이나 순서 등이 결과값에 영향을 줄 수 있는 상태로 두 개의 스레드가 하나의 자원을 놓고 서로 사용하려고 경쟁하는 상황에서 발생한다. 경쟁 상태 발생 시 프로그램의 일관성과 정확성을 해칠 수 있어 주의해야 한다.

2) 단점

• 싱글 스레드이므로 전체 데이터 스캔과 같이 오버헤드가 큰 명령을 처리하는 동안 다른 명령을 처리할 수 없다.
  • 다른 명령은 이벤트 큐에 저장된 상태로 대기하므로 응답 속도가 저하된다.

 

 

Redis 사용 시 주의점

1. 시간 복잡도

레디스는 싱글 스레드(Single Thread)를 사용하므로, 한 번에 하나의 명령만 수행할 수 있어 처리 시간이 긴 요청에는 장애가 발생할 수 있다.

 

2. 메모리 단편화

크고 작은 데이터를 할당하고 해제하는 과정에서 메모리의 파편화가 발생하여 응답 속도가 느려질 수 있다.

 

메모리 단편화(Memory Fragmentation)란?

RAM에서 메모리를 할당, 해제하는 과정에서 위 그림과 같이 부분적으로 비어 있는 공간이 생기는데, 새 메모리 할당 시 사용 가능한 메모리가 충분히 존재하지만 메모리 크기만큼의 공간이 없어 메모리 낭비가 커지는 문제

• 단편화 현상이 지속되면, 실제 물리(Physical) 메모리 크기가 커져 프로세스가 죽는 현상이 발생할 수 있어 레디스 사용 시 메모리를 적당히 유지하는 것이 중요하다.

 

3. 주기적인 모니터링

메모리 사용량이 너무 많으면 레디스 서버의 성능 저하나 장애로 이어질 수 있어 주기적인 모니터링을 통해 메모리를 관리해야 한다.

 

 

Redis 유효 기간

레디스에 저장되는 모든 데이터는 유효 기간을 설정할 수 있다. 유효 기간이 지난 데이터는 메모리에서 삭제되어 메모리를 효율적으로 사용할 수 있다. 레디스는 다양한 방법으로 이 유효 기간을 설정 가능하다.

1. EXPIRE 명령으로 이미 생성된 데이터에 유효 기간 설정
2. 데이터 생성 시 EX 옵션 사용하여 생성과 동시에 유효 기간 설정 (자료구조에 따라 지원하지 않을 수 있음)

레디스는 메모리에 데이터를 저장하므로 저장 공간이 한정적이어서, 유효 기간을 설정하는 것이 권장된다. 유효 기간을 설정하지 않으면 데이터를 직접 삭제할 때까지 영원히 유지(영속성)되므로 유효 기간을 설정하자.