Redis缓存那点破事

转载, 原文地址Redis缓存那点破事 ， 绝杀面试官 25 问

Redis 有哪些特性？

• 性能高， 读的速度是100000次/s，写的速度是80000次/s
• 数据持久化，支持RDB 、AOF
• 支持事务。通过MULTI和EXEC指令包起来。
• 多种数据结构类型
• 主从复制
• 其他特性：发布/订阅、通知、key过期等

Redis 为什么这么快？

• 完全基于内存，没有磁盘IO上的开销，异步持久化除外
• 单线程，避免多个线程切换的性能损耗
• 非阻塞的IO多路复用机制
• 底层的数据存储结构优化，使用原生的数据结构提升性能。

Redis 底层的基础数据结构有哪些？

• 字符串。没有采用C语言的传统字符串，而是自己实现的一个简单动态字符串SDS的抽象类型，并保存了长度信息。
• 链表（linkedlist）。双向无环链表结构，每个链表的节点由一个listNode结构来表示，每个节点都有前置和后置节点的指针
• 字典（hashtable）。保存键值对的抽象数据结构，底层使用hash表，每个字典带有两个hash表，供平时使用和rehash时使用。
• 跳跃表（skiplist）。跳跃表是有序集合的底层实现之一。redis跳跃表由zskiplist和zskiplistNode组成，zskiplist用于保存跳跃表 信息(表头、表尾节点、⻓度等)，zskiplistNode用于表示表跳跃节点，每个跳跃表的层高都是1- 32的随机数，在同一个跳跃表中，多个节点可以包含相同的分值，但是每个节点的成员对象必须是唯一的，节点按照分值大小排序，如果分值相同，则按照成员对象的大小排序。
• 整数集合（intset）。用于保存整数值的集合抽象数据结构，不会出现重复元素，底层实现为数组。
• 压缩列表（ziplist）。为节约内存而开发的顺序性数据结构，可以包含多个节点，每个节点可以保存一个字节数组或者整数值。

Redis 支持哪些数据类型？

五种常用数据类型：String、Hash、Set、List、SortedSet。三种特殊的数据类型：Bitmap、HyperLogLog、Geospatial，其中Bitmap、HyperLogLog的底层都是 String 数据类型，Geospatial 底层是 Sorted Set 数据类型。

• 字符串对象string：int整数、embstr编码的简单动态字符串、raw简单动态字符串
• 列表对象list：ziplist、linkedlist
• 哈希对象hash：ziplist、hashtable
• 集合对象set：intset、hashtable
• 有序集合对象zset：ziplist、skiplist

Redis 常用的 5 种数据结构和应用场景？

• String：缓存、计数器、分布式锁等
• List：链表、队列、微博关注人时间轴列表等
• List：链表、队列、微博关注人时间轴列表等
• Set：去重、赞、踩、共同好友等
• Zset：访问量排行榜、点击量排行榜等

为什么采用单线程？

官方回复，CPU不会成为Redis的制约瓶颈，Redis主要受内存、网络限制。例如，在一个普通的 Linux 系统上，使用pipelining 可以每秒传递 100 万个请求，所以如果您的应用程序主要使用 O(N) 或 O(log(N)) 命令，则几乎不会使用太多 CPU，属于IO密集型系统。

Redis 6.0 之后又改用多线程呢?

Redis的多线程主要是处理数据的读写、协议解析。执行命令还是采用单线程顺序执行。

主要是因为redis的性能瓶颈在于网络IO而非CPU，使用多线程进行一些周边预处理，提升了IO的读写效率，从而提高了整体的吞吐量。antirez 在 RedisConf 2019 分享时提到，Redis 6 引入的多线程 IO 对性能提升至少一倍以上。

过期键Key 的删除策略有哪些？

有3种过期删除策略。惰性删除、定期删除、定时删除

• 惰性删除。使用key时才进行检查，如果已经过期，则删除。缺点：过期的key如果没有被访问到，一直无法删除，一直占用内存，造成空间浪费。
• 定期删除。每隔一段时间做一次检查，删除过期的key，每次只是随机取一些key去检查。
• 定时删除。为每个key设置过期时间，同时创建一个定时器。一旦到期，立即执行删除。缺点：如果过期键比较多时，占用CPU较多，对服务的性能有很大影响。

如果Redis的内存空间不足，淘汰机制?

• volatile-lru：从已设置过期时间的key中，移出最近最少使用的key进行淘汰
• allkeys-lru：当内存不足以容纳新写入数据时，在键空间中，移除最近最少使用的key（这个是最常用的）
• volatile-ttl：从已设置过期时间的key中，移出将要过期的key
• volatile-random：从已设置过期时间的key中，随机选择key淘汰
• allkeys-random：从key中随机选择key进行淘汰
• no-eviction：禁止淘汰数据。当内存达到阈值的时候，新写入操作报错
• volatile-lfu：从已设置过期时间的数据集(server.db[i].expires)中挑选最不经常使用的数据淘汰(LFU(Least Frequently Used)算法，也就是最频繁被访问的数据将来最有可能被访问到)
• allkeys-lfu：当内存不足以容纳新写入数据时，在键空间中，移除最不经常使用的key。

Redis 突然挂了怎么解决？

• 从系统可用性角度思考，Redis Cluster引入主备机制，当主节点挂了后，自动切换到备用节点，继续提供服务
• Client端引入本地缓存，通过开关切换，避免Redis突然挂掉，高并发流量把数据库打挂。

Redis 持久化有哪些方式？

• 快照RDB。将某个时间点上的数据库状态保存到RDB文件中，RDB文件是一个压缩的二进制文件，保存在磁盘上。当Redis崩溃时，可用于恢复数据。通过SAVE或BGSAVE来生成RDB文件。
  • SAVE：会阻塞redis进程，直到RDB文件创建完毕，在进程阻塞期间，redis不能处理任何命令请求。
  • BGSAVE：会fork出一个子进程，然后由子进程去负责生成RDB文件，父进程还可以继续处理命令请求，不会阻塞进程。
• 只追加文件AOF。以日志的形式记录每个写操作（非读操作）。当不同节点同步数据时，读取日志文件的内容将写指令从前到后执行一次，即可完成数据恢复。

Redis 常用场景

• 1、缓存，有句话说的好，「性能不够，缓存来凑」
• 2、分布式锁，利用Redis 的 setnx
• 3、分布式session
• 4、计数器，通过incr命令
• 5、排行榜，Redis 的 有序集合
• 6、其他

Redis 缓存要注意的七大经典问题？

列举了亿级系统，高访问量情况下Redis缓存可能会遇到哪些问题？以及对应的解决方案。

• 1、缓存集中失效
• 2、缓存穿透
• 3、缓存雪崩
• 4、缓存热点
• 5、缓存大Key
• 6、缓存数据的一致性
• 7、数据并发竞争预热

Redis 集群方案有哪几种？

• 主从复制模式
• Sentinel（哨兵）模式
• Redis Cluster模式

Redis 主从数据同步（主从复制）的过程？

• 1、slave启动后，向master发送sync命令
• 2、master收到sync之后，执行bgsave保存快照，生成RDB全量文件
• 3、master把slave的写命令记录到缓存
• 4、bgsave执行完毕之后，发送RDB文件到slave，slave执行
• 5、master发送缓冲区的写命令给slave，slave接收命令并执行，完成复制初始化。
• 6、此后，master每次执行一个写命令都会同步发送给slave，保持master与slave之间数据的一致性

主从复制的优缺点？

• 优点:
  • master能自动将数据同步到slave，可以进行读写分离，分担master的读压力
  • master、slave之间的同步是以非阻塞的方式进行的，同步期间，客户端仍然可以提交查询或更新请求
• 缺点:
  • 不具备自动容错与恢复功能，master 节点宕机后，需要手动指定新的 master
  • master宕机，如果宕机前数据没有同步完，则切换IP后会存在数据不一致的问题
  • 难以支持在线扩容，Redis的容量受限于单机配置

Sentinel（哨兵）模式的优缺点？

哨兵模式基于主从复制模式，增加了哨兵来监控与自动处理故障。

• 优点:
  • 哨兵模式基于主从复制模式，所以主从复制模式有的优点，哨兵模式也有
  • master 挂掉可以自动进行切换，系统可用性更高
• 缺点:
  • Redis的容量受限于单机配置
  • 需要额外的资源来启动sentinel进程

Redis Cluster 模式的优缺点？

实现了Redis的分布式存储，即每台节点存储不同的内容，来解决在线扩容的问题。

• 优点:
  • 无中心架构，数据按照slot分布在多个节点
  • 集群中的每个节点都是平等的，每个节点都保存各自的数据和整个集群的状态。每个节点都和其他所有节点连接，而且这些连接保持活跃，这样就保证了我们只需要连接集群中的任意一个节点，就可以获取到其他节点的数据。
  • 可线性扩展到1000多个节点，节点可动态添加或删除
  • 能够实现自动故障转移，节点之间通过gossip协议交换状态信息，用投票机制完成slave到master的角色转换
• 缺点
  • 数据通过异步复制，不保证数据的强一致性
  • slave充当 “冷备”，不对外提供读、写服务，只作为故障转移使用。
  • 批量操作限制，目前只支持具有相同slot值的key执行批量操作，对mset、mget、sunion等操作支持不友好
  • key事务操作支持有限，只支持多key在同一节点的事务操作，多key分布在不同节点时无法使用事务功能
  • 不支持多数据库空间，一台redis可以支持16个db，集群模式下只能使用一个，即db 0。Redis Cluster模式不建议使用pipeline和multi-keys操作，减少max redirect产生的场景。

Redis 如何做扩容？

为了避免数据迁移失效，通常使用一致性哈希实现动态扩容缩容，有效减少需要迁移的Key数量。

但是Cluster 模式，采用固定Slot槽位方式（16384个），对每个key计算CRC16值，然后对16384取模，然后根据slot值找到目标机器，扩容时，我们只需要迁移一部分的slot到新节点即可。

Redis 的集群原理?

一个redis集群由多个节点node组成，而多个node之间通过cluster meet命令来进行连接，组成一个集群。

数据存储通过分片的形式，整个集群分成了16384个slot，每个节点负责一部分槽位。整个槽位的信息会同步到所有节点中。

key与slot的映射关系：

• 健值对 key，进行 CRC16 计算，计算出一个 16 bit 的值
• 将 16 bit 的值对 16384 取模，得到 0 ～ 16383 的数表示 key 对应的哈希槽

Redis 如何做到高可用？

哨兵机制。具有自动故障转移、集群监控、消息通知等功能。

哨兵可以同时监视所有的主、从服务器，当某个master下线时，自动提升对应的slave为master，然后由新master对外提供服务。

什么是 Redis 事务？

Redis事务是一组命令的集合，将多个命令打包，然后把这些命令按顺序添加到队列中，并且按顺序执行这些命令。

Redis事务中没有像Mysql关系型数据库事务隔离级别的概念，不能保证原子性操作，也没有像Mysql那样执行事务失败会进行回滚操作

Redis 事务执行流程？

通过MULTI、EXEC、WATCH等命令来实现事务机制，事务执行过程将一系列多个命令按照顺序一次性执行，在执行期间，事务不会被中断，也不会去执行客户端的其他请求，直到所有命令执行完毕。

具体过程：

• 服务端收到客户端请求，事务以MULTI开始
• 如果正处于事务状态时，则会把后续命令放入队列同时返回给客户端QUEUED，反之则直接执行这 个命令
• 当收到客户端的EXEC命令时，才会将队列里的命令取出、顺序执行，执行完将当前状态从事务状态改为非事务状态
• 如果收到 DISCARD 命令，放弃执行队列中的命令，可以理解为Mysql的回滚操作，并且将当前的状态从事务状态改为非事务状态

如何实现一个分布式锁？

• 1、数据库表，性能比较差
• 2、使用Lua脚本 (包含 SETNX + EXPIRE 两条指令)
• 3、SET的扩展命令（SET key value [EX][PX] [NX|XX]）
• 4、Redlock 框架
• 5、Zookeeper Curator框架提供了现成的分布式锁