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[ Stefano Pigozzi | Traccia #1 | Tema Big Data | Big Data Analytics | A.A. 2022/2023 | Unimore ]
Redis per applicazioni scalabili, efficienti e veloci
Approfondimento NoSQL
L’attività consiste nell’approfondire uno degli argomenti visti nelle lezioni relative ai modelli NOSQL, al CAP theorem e alle architetture per big data.
Esempi di possibili approfondimenti sono:
- un sistema che implementa un modello NOSQL non sperimentato a lezione
...Possibili fonti informative, oltre a Google e alla manualistica ufficiale, sono le digital library scientifiche come Google Scholar e Mendeley.
Al termine dell’attività di approfondimento, occorre produrre una relazione con le seguenti caratteristiche:
- la relazione deve avere un titolo e contenere un abstract (riassunto del documento), una sezione di conclusioni e un elenco di riferimenti bibliografici;
- è gradito includere una piccola sperimentazione pratica (es. un breve codice di prova per una piattaforma studiata, brevi frammenti di codice a confronto delle caratteristiche di diversi sistemi, ecc.), riassumendo nella parte finale della relazione cosa è stato provato e, se applicabile, i risultati ottenuti;
- la relazione deve essere lunga almeno 2000 parole e non più di 3000 parole.
Sinossi
In questa relazione si introduce il database key-value Redis, ne si descrivono le funzionalità e i casi d'uso più comuni, e lo si utilizza per sviluppare un'applicazione web scalabile e performante, che sarà poi sottoposta a stress testing.
Redis
Redis (Remote Dictionary Server) è un database NoSQL creato e pubblicato originariamente da Antirez, imprenditore italiano che necessitava di un database real-time e scalabile per sviluppare un analizzatore di web log, e in seguito sviluppato e mantenuto da Redis Ltd.
È un database NoSQL con le seguenti caratteristiche:
- si basa sul paradigma key-value
- i dati sono archiviati nel database associati a una determinata stringa, e possono essere richiamati attraverso di essa
- convenzione vuole che le chiavi siano in
lower:colon:case, come ad esempioplayer:1:score
- è interamente in-memory
- tutti i dati sono salvati nella RAM per massimizzare la velocità di archiviazione e recupero
- opzionalmente, è possibile configurare un salvataggio periodico su disco del database
- cerca di avere un impatto minimo sulle risorse dell'elaboratore
- sia in termini di CPU-time, sia in termini di memoria utilizzata
- l'overhead del database senza alcun dato dentro è di soli 3 MB
- utilizza brevi comandi per alterare i dati nel database
- molto simili a comandi di una shell, facili da integrare in linguaggi di programmazione
- tutti i comandi sono individualmente atomici, e possono essere opzionalmente combinati in transazioni atomiche
- è loosely-typed
- sia chiavi sia valori sono sempre archiviati nel database come stringhe
- sono i comandi utilizzati a determinare come i valori vengono interpretati, se come stringhe o come strutture dati
- è facile da scalare orizzontalmente
- può utilizzare il paradigma master-replica, con meccanismi di sincronizzazione atomici, parziali o totali in base allo stato di connessione delle repliche
- può essere eseguito come cluster, in cui ogni istanza gestisce un sottoinsieme delle chiavi del database complessivo
Per via delle sue caratteristiche, Redis è frequentemente utilizzato come database "secondario": per comunicazione inter-processo o inter-servizio, per caching di dati costosi da computare, o per carichi di lavoro che necessitano di numerosissimi accessi veloci a risorse.
Tipi di dato
Redis supporta vari tipi di dati, ciascuno adatto a diversi casi d'uso.
Come menzionato in precedenza, si disambigua tra essi attraverso i comandi utilizzati per accedervi: in particolare, tutti i comandi relativi a un determinato tipo di struttura dati hanno uno specifico prefisso, come ad esempio Z per i sorted set.
Strings
Il tipo string in Redis in realtà si riferisce a qualsiasi tipo di dato non strutturato, inclusi numeri o byte di file binari.
I comandi che si riferiscono alle stringhe non usano alcun prefisso, e sono O(1):
GET {key}- recupera il valore alla chiave specificata
SET {key} {value}- imposta il valore della chiave specificata
SET {key} {value} NX- imposta il valore della chiave specificata solo se essa non esiste già
SET {key} {value} EX {seconds}- imposta il valore della chiave specificata per il numero di secondi specificato
INCR {key}- se il valore alla chiave è un numero, lo incrementa di 1
- se non esiste, il numero viene prima impostato a 0
INCRBY {key} {number}- se il valore alla chiave è un numero, lo incrementa del numero specificato
- se non esiste, il numero viene prima impostato a 0
Sono utili per archiviare e recuperare velocemente attributi di un'entità, implementare meccanismi di sincronizzazione (lock, semafori), realizzare controlli di accesso effimeri (rate limiting), o effettuare conteggi di particolari eventi.
Lists
Il tipo list in Redis rappresenta una serie ordinata di valori stringa.
I principali comandi delle liste usano i prefissi L o R, e sono O(1):
LPUSH {key} {value}- aggiunge un valore all'inizio della lista specificata
RPUSH {key} {value}- aggiunge un valore alla fine della lista specificata
LPOP {key}- recupera ed elimina il valore all'inizio della lista specificata
RPOP {key}- recupera ed elimina il valore all'inizio della lista specificata
Particolari comandi relativi alle liste permettono al client Redis di bloccare la chiamata fino a che non si verifica una determinata condizione, come ad esempio:
BLPOP {key}- se esiste, recupera ed elimina il valore all'inizio della lista specifiata
- se non esiste, attende che venga inserito un valore nella lista prima di restituirlo
I comandi relativi alle liste sono tipicamente utilizzati per realizzare pile (stacks) e code (queues) di eventi, prodotti da alcuni processi e consumati da altri.
Sets
Il tipo set in Redis rappresenta un insieme di valori stringa unici non ordinato.
I principali comandi dei set usano il prefisso S, e sono O(1):
SADD {key} {value}- aggiunge un valore all'insieme specificato
SISMEMBER {key} {value}- verifica se un valore appartiene all'insieme specificato
SCARD {key}- conta il numero di elementi nell'insieme specificato
Alcuni comandi permettono di effettuare operazioni tra due insiemi in tempo O(N):
SINTER {key1} {key2}- effettua l'intersezione tra due insiemi, e restituisce i valori dell'insieme risultante
SUNION {key1} {key2}- effettua l'unione tra due insiemi, e restituisce i valori dell'insieme risultante
Sono usati nei casi in cui l'unicità degli elementi è un fattore chiave dell'operazione che si desidera effettuare, come ad esempio per raccogliere gli identificativi di tutti gli utenti che hanno letto un post su un forum.
Sorted sets
Il tipo sorted set in Redis rappresenta un insieme di valori stringa unici ordinato in base a un punteggio associato a ciascun valore.
I principali comandi dei sorted set usano il prefisso Z, e sono O(log(N)):
ZADD {key} {score} {value}- aggiunge un valore all'insieme specificato con un dato punteggio
ZRANGE {key} {start} {stop}- recupera i valori presenti nell'insieme specificato tra i dati indici (inclusi)
ZSCORE {key} {value}- recupera il punteggio nell'insieme specificato di un dato valore
ZRANK {key} {value}- restituisce la posizione del valore dato nell'insieme specificato
Sono usati in casi in cui si necessita di una struttura sempre ordinata di elementi unici, come nell'applicazione allegata a questa relazione, in cui sono stati usati per realizzare delle classifiche.
Altre strutture dati
Redis supporta altre strutture dati meno frequentemente usate:
- gli hashes, collezioni chiave-valore innestate in una singola chiave Redis, con prefisso
H - gli stream, registri in cui è solo possibile aggiungere valori, con prefisso
X - gli indici geospatial, in grado di processare coordinate cartesiane o geografiche, con prefisso
GEO - gli hyperloglog, strutture dati probabilistiche in grado di stimare velocemente la cardinalità di insiemi molto grandi, con prefisso
PF - le bitmap, array di bit che possono essere modificati o interrogati individualmente, con prefisso o suffisso
BIT - i bitfields, interi signed e unsigned di dimensione variabile, attraverso il comando
BITFIELD
Disponibilità e scalabilità
Redis offre numerose funzionalità per fare in modo che il database rimanga sempre disponibile e possa scalare orizzontalmente per supportare numeri di accessi sempre crescenti.
Replicazione
È possibile creare illimitate repliche in sola lettura di qualsiasi database Redis.
Le repliche si connettono al database originale, richiedono ad esso una sincronizzazione totale, e poi mantengono la connessione aperta per ricevere dall'originale il flusso di comandi necessario a mantenere i dati sincronizzati.
Nel caso una replica perdesse la connessione all'originale, essa continuerebbe a funzionare indipendentemente, e al ripristino della connessione essa può richiedere una sincronizzazione parziale, ricevendo i cambiamenti avvenuti al database dal momento della disconnessione.
Questo permette a Redis grandi benefici di scalabilità, rendendo possibile ad esempio:
- distribuire il carico di lavoro geograficamente, minimizzando la latenza tra utente e servizio
- delegare query di letture computazionalmente costose a una replica, conservando potenza computazionale dell'originale per gestire più scritture
- eseguire una replica mentre il software del database originale viene aggiornato, mantenendo così il database accessibile tutto il tempo
La sincronizzazione tra le repliche è effettuata asincronamente: ciò significa che la consistenza non è garantita, ma che, con il passare del tempo, il database convergerà alla consistenza.
Sentinel
A questo sistema può essere aggiunto il servizio Redis Sentinel, un daemon che:
- monitora il database originale e le sue repliche
- notifica l'amministratore automaticamente nel caso di downtime di un'istanza di Redis
- promuove una delle repliche a "principale" nel caso il database originale smettesse di essere accessibile
- comunica autorevolmente alle altre repliche l'indirizzo del nuovo database principale nel caso di un cambio, prevenendo il problema dei due generali
Clustering
È possibile configurare più istanze di Redis perchè funzionino come un unico database utilizzando Redis Cluster.
Attraverso di esso, le istanze si spartiscono l'autorità su determinate chiavi, effettuando l'hash su di esse per determinare quale istanza è la "originale" per la data chiave.
In particolare, l'hash viene effettuato sulla parte di chiave contenuta tra parentesi graffe, permettendo a una data istanza di avere l'autorità su tutte le chiavi relative a una certa entità.
Ad esempio, tutte queste chiavi saranno assegnate alla stessa istanza:
board:{first}:scores
board:{first}:name
board:{first}:creation_date
user:{first}:name
Queste chiavi potrebbero invece venire assegnate a un'altra istanza:
board:{second}:scores
user:{third}:name
second
Come per le repliche, essendo la sincronizzazione tra i cluster effettuata asincronamente, la consistenza non è garantita.