10 | 第1～9讲课后思考题答案及常见问题答疑
10 | 第1～9讲课后思考题答案及常见问题答疑
第 1 讲
问题：和跟 Redis 相比，SimpleKV 还缺少什么？
@曾轼麟、@Kaito 同学给出的答案都非常棒。他们从数据结构到功能扩展，从内存效率到
事务性，从高可用集群再到高可扩展集群，对 SimpleKV 和 Redis 进行了详细的对比。而
且，他们还从运维使用的角度进行了分析。我先分享一下两位同学的答案。
@曾轼麟同学：
@Kaito 同学：
SimpleKV 所缺少的有：丰富的数据类型、支持数据压缩、过期机制、数据淘汰策略、
主从复制、集群化、高可用集群等，另外，还可以增加统计模块、通知模块、调试模
块、元数据查询等辅助功能。
我也给个答案总结。还记得我在开篇词讲过的“两大维度”“三大主线”吗？这里我们
也可以借助这个框架进行分析，如下表所示。此外，在表格最后，我还从键值数据库开发
和运维的辅助工具上，对 SimpleKV 和 Redis 做了对比。
第 2 讲
问题：整数数组和压缩列表作为底层数据结构的优势是什么？
整数数组和压缩列表的设计，充分体现了 Redis“又快又省”特点中的“省”，也就是节
省内存空间。整数数组和压缩列表都是在内存中分配一块地址连续的空间，然后把集合中
的元素一个接一个地放在这块空间内，非常紧凑。因为元素是挨个连续放置的，我们不用
再通过额外的指针把元素串接起来，这就避免了额外指针带来的空间开销。
我画一张图，展示下这两个结构的内存布局。整数数组和压缩列表中的 entry 都是实际的
集合元素，它们一个挨一个保存，非常节省内存空间。
Redis 之所以采用不同的数据结构，其实是在性能和内存使用效率之间进行的平衡。
第 3 讲
问题：Redis 基本 IO 模型中还有哪些潜在的性能瓶颈？
这个问题是希望你能进一步理解阻塞操作对 Redis 单线程性能的影响。在 Redis 基本 IO
模型中，主要是主线程在执行操作，任何耗时的操作，例如 bigkey、全量返回等操作，都
是潜在的性能瓶颈。
第 4 讲
问题 1：AOF 重写过程中有没有其他潜在的阻塞风险？
这里有两个风险。
风险一：Redis 主线程 fork 创建 bgrewriteaof 子进程时，内核需要创建用于管理子进程
的相关数据结构，这些数据结构在操作系统中通常叫作进程控制块（Process Control
Block，简称为 PCB）。内核要把主线程的 PCB 内容拷贝给子进程。这个创建和拷贝过程
由内核执行，是会阻塞主线程的。而且，在拷贝过程中，子进程要拷贝父进程的页表，这
个过程的耗时和 Redis 实例的内存大小有关。如果 Redis 实例内存大，页表就会大，fork
执行时间就会长，这就会给主线程带来阻塞风险。
风险二：bgrewriteaof 子进程会和主线程共享内存。当主线程收到新写或修改的操作时，
主线程会申请新的内存空间，用来保存新写或修改的数据，如果操作的是 bigkey，也就是
数据量大的集合类型数据，那么，主线程会因为申请大空间而面临阻塞风险。因为操作系
统在分配内存空间时，有查找和锁的开销，这就会导致阻塞。
问题 2：AOF 重写为什么不共享使用 AOF 本身的日志？
如果都用 AOF 日志的话，主线程要写，bgrewriteaof 子进程也要写，这两者会竞争文件
系统的锁，这就会对 Redis 主线程的性能造成影响。
第 5 讲
问题：使用一个 2 核 CPU、4GB 内存、500GB 磁盘的云主机运行 Redis，Redis 数据库
的数据量大小差不多是 2GB。当时 Redis 主要以修改操作为主，写读比例差不多在 8:2 左
右，也就是说，如果有 100 个请求，80 个请求执行的是修改操作。在这个场景下，用
RDB 做持久化有什么风险吗？
@Kaito 同学的回答从内存资源和 CPU 资源两方面分析了风险，非常棒。我稍微做了些完
善和精简，你可以参考一下。
内存不足的风险：Redis fork 一个 bgsave 子进程进行 RDB 写入，如果主线程再接收到写
操作，就会采用写时复制。写时复制需要给写操作的数据分配新的内存空间。本问题中写
的比例为 80%，那么，在持久化过程中，为了保存 80% 写操作涉及的数据，写时复制机
制会在实例内存中，为这些数据再分配新内存空间，分配的内存量相当于整个实例数据量
的 80%，大约是 1.6GB，这样一来，整个系统内存的使用量就接近饱和了。此时，如果实
例还有大量的新 key 写入或 key 修改，云主机内存很快就会被吃光。如果云主机开启了
Swap 机制，就会有一部分数据被换到磁盘上，当访问磁盘上的这部分数据时，性能会急
剧下降。如果云主机没有开启 Swap，会直接触发 OOM，整个 Redis 实例会面临被系统
kill 掉的风险。
主线程和子进程竞争使用 CPU 的风险：生成 RDB 的子进程需要 CPU 核运行，主线程本
身也需要 CPU 核运行，而且，如果 Redis 还启用了后台线程，此时，主线程、子进程和后
台线程都会竞争 CPU 资源。由于云主机只有 2 核 CPU，这就会影响到主线程处理请求的
速度。
第 6 讲
问题：为什么主从库间的复制不使用 AOF？
答案：有两个原因。
RDB 文件是二进制文件，无论是要把 RDB 写入磁盘，还是要通过网络传输 RDB，IO
效率都比记录和传输 AOF 的高。
1.RDB 文件是二进制文件，无论是要把 RDB 写入磁盘，还是要通过网络传输 RDB，IO
效率都比记录和传输 AOF 的高。
2. 在从库端进行恢复时，用 RDB 的恢复效率要高于用 AOF。
第 7 讲
问题 1：在主从切换过程中，客户端能否正常地进行请求操作呢？
主从集群一般是采用读写分离模式，当主库故障后，客户端仍然可以把读请求发送给从
库，让从库服务。但是，对于写请求操作，客户端就无法执行了。
问题 2：如果想要应用程序不感知服务的中断，还需要哨兵或客户端再做些什么吗？
一方面，客户端需要能缓存应用发送的写请求。只要不是同步写操作（Redis 应用场景一
般也没有同步写），写请求通常不会在应用程序的关键路径上，所以，客户端缓存写请求
后，给应用程序返回一个确认就行。
另一方面，主从切换完成后，客户端要能和新主库重新建立连接，哨兵需要提供订阅频
道，让客户端能够订阅到新主库的信息。同时，客户端也需要能主动和哨兵通信，询问新
主库的信息。
第 8 讲
问题 1：5 个哨兵实例的集群，quorum 值设为 2。在运行过程中，如果有 3 个哨兵实例
都发生故障了，此时，Redis 主库如果有故障，还能正确地判断主库“客观下线”吗？如
果可以的话，还能进行主从库自动切换吗？
因为判定主库“客观下线”的依据是，认为主库“主观下线”的哨兵个数要大于等于
quorum 值，现在还剩 2 个哨兵实例，个数正好等于 quorum 值，所以还能正常判断主库
是否处于“客观下线”状态。如果一个哨兵想要执行主从切换，就要获到半数以上的哨兵
投票赞成，也就是至少需要 3 个哨兵投票赞成。但是，现在只有 2 个哨兵了，所以就无法
进行主从切换了。
问题 2：哨兵实例是不是越多越好呢？如果同时调大 down-after-milliseconds 值，对
减少误判是不是也有好处？
哨兵实例越多，误判率会越低，但是在判定主库下线和选举 Leader 时，实例需要拿到的赞
成票数也越多，等待所有哨兵投完票的时间可能也会相应增加，主从库切换的时间也会变
长，客户端容易堆积较多的请求操作，可能会导致客户端请求溢出，从而造成请求丢失。
如果业务层对 Redis 的操作有响应时间要求，就可能会因为新主库一直没有选定，新操作
无法执行而发生超时报警。
调大 down-after-milliseconds 后，可能会导致这样的情况：主库实际已经发生故障了，
但是哨兵过了很长时间才判断出来，这就会影响到 Redis 对业务的可用性。
第 9 讲
问题：为什么 Redis 不直接用一个表，把键值对和实例的对应关系记录下来？
如果使用表记录键值对和实例的对应关系，一旦键值对和实例的对应关系发生了变化（例
如实例有增减或者数据重新分布），就要修改表。如果是单线程操作表，那么所有操作都
要串行执行，性能慢；如果是多线程操作表，就涉及到加锁开销。此外，如果数据量非常
大，使用表记录键值对和实例的对应关系，需要的额外存储空间也会增加。
基于哈希槽计算时，虽然也要记录哈希槽和实例的对应关系，但是哈希槽的个数要比键值
对的个数少很多，无论是修改哈希槽和实例的对应关系，还是使用额外空间存储哈希槽和
实例的对应关系，都比直接记录键值对和实例的关系的开销小得多。
好了，这些问题你都回答上来了吗？如果你还有其他想法，也欢迎多多留言，跟我和其他
同学进行交流讨论。
典型问题讲解
接下来，我再讲一些代表性问题，包括 Redis rehash 的时机和执行机制，主线程、子进
程和后台线程的联系和区别，写时复制的底层实现原理，以及 replication buffer 和
repl_backlog_buffer 的区别。
问题 1：rehash 的触发时机和渐进式执行机制
我发现，很多同学对 Redis 的哈希表数据结构都很感兴趣，尤其是哈希表的 rehash 操
作，所以，我再集中回答两个问题。
1.Redis 什么时候做 rehash？
Redis 会使用装载因子（load factor）来判断是否需要做 rehash。装载因子的计算方式
是，哈希表中所有 entry 的个数除以哈希表的哈希桶个数。Redis 会根据装载因子的两种
情况，来触发 rehash 操作：
装载因子≥1，同时，哈希表被允许进行 rehash； 装载因子≥5。
在第一种情况下，如果装载因子等于 1，同时我们假设，所有键值对是平均分布在哈希表
的各个桶中的，那么，此时，哈希表可以不用链式哈希，因为一个哈希桶正好保存了一个
键值对。
但是，如果此时再有新的数据写入，哈希表就要使用链式哈希了，这会对查询性能产生影
响。在进行 RDB 生成和 AOF 重写时，哈希表的 rehash 是被禁止的，这是为了避免对
RDB 和 AOF 重写造成影响。如果此时，Redis 没有在生成 RDB 和重写 AOF，那么，就
可以进行 rehash。否则的话，再有数据写入时，哈希表就要开始使用查询较慢的链式哈希
了。
在第二种情况下，也就是装载因子大于等于 5 时，就表明当前保存的数据量已经远远大于
哈希桶的个数，哈希桶里会有大量的链式哈希存在，性能会受到严重影响，此时，就立马
开始做 rehash。
刚刚说的是触发 rehash 的情况，如果装载因子小于 1，或者装载因子大于 1 但是小于 5，
同时哈希表暂时不被允许进行 rehash（例如，实例正在生成 RDB 或者重写 AOF），此
时，哈希表是不会进行 rehash 操作的。
2. 采用渐进式 hash 时，如果实例暂时没有收到新请求，是不是就不做 rehash 了？
其实不是的。Redis 会执行定时任务，定时任务中就包含了 rehash 操作。所谓的定时任
务，就是按照一定频率（例如每 100ms/ 次）执行的任务。
在 rehash 被触发后，即使没有收到新请求，Redis 也会定时执行一次 rehash 操作，而
且，每次执行时长不会超过 1ms，以免对其他任务造成影响。
问题 2：主线程、子进程和后台线程的联系与区别
我在课程中提到了主线程、主进程、子进程、子线程和后台线程这几个词，有些同学可能
会有疑惑，我再帮你总结下它们的区别。
首先，我来解释一下进程和线程的区别。
从操作系统的角度来看，进程一般是指资源分配单元，例如一个进程拥有自己的堆、栈、
虚存空间（页表）、文件描述符等；而线程一般是指 CPU 进行调度和执行的实体。
了解了进程和线程的区别后，我们再来看下什么是主进程和主线程。
如果一个进程启动后，没有再创建额外的线程，那么，这样的进程一般称为主进程或主线
程。
举个例子，下面是我写的一个 C 程序片段，main 函数会直接调用一个 worker 函数，函数
worker 就是执行一个 for 循环计算。下面这个程序运行后，它自己就是一个主进程，同时
也是个主线程
和这段代码类似，Redis 启动以后，本身就是一个进程，它会接收客户端发送的请求，并
处理读写操作请求。而且，接收请求和处理请求操作是 Redis 的主要工作，Redis 没有再
依赖于其他线程，所以，我一般把完成这个主要工作的 Redis 进程，称为主进程或主线
程。
在主线程中，我们还可以使用 fork 创建子进程，或是使用 pthread_create 创建线程。下
面我先介绍下 Redis 中用 fork 创建的子进程有哪些。
创建 RDB 的后台子进程，同时由它负责在主从同步时传输 RDB 给从库；
通过无盘复制方式传输 RDB 的子进程；
bgrewriteaof 子进程。
然后，我们再看下 Redis 使用的线程。从 4.0 版本开始，Redis 也开始使用
pthread_create 创建线程，这些线程在创建后，一般会自行执行一些任务，例如执行异步
删除任务。相对于完成主要工作的主线程来说，我们一般可以称这些线程为后台线程。关
于 Redis 后台线程的具体执行机制，我会在第 16 讲具体介绍。
为了帮助你更好地理解，我画了一张图，展示了它们的区别。
问题 3：写时复制的底层实现机制
Redis 在使用 RDB 方式进行持久化时，会用到写时复制机制。我在第 5 节课讲写时复制的
时候，着重介绍了写时复制的效果：bgsave 子进程相当于复制了原始数据，而主线程仍然
可以修改原来的数据。
今天，我再具体讲一讲写时复制的底层实现机制。
对 Redis 来说，主线程 fork 出 bgsave 子进程后，bgsave 子进程实际是复制了主线程的
页表。这些页表中，就保存了在执行 bgsave 命令时，主线程的所有数据块在内存中的物
理地址。这样一来，bgsave 子进程生成 RDB 时，就可以根据页表读取这些数据，再写入
磁盘中。如果此时，主线程接收到了新写或修改操作，那么，主线程会使用写时复制机
制。具体来说，写时复制就是指，主线程在有写操作时，才会把这个新写或修改后的数据
写入到一个新的物理地址中，并修改自己的页表映射。
我来借助下图中的例子，具体展示一下写时复制的底层机制。
bgsave 子进程复制主线程的页表以后，假如主线程需要修改虚页 7 里的数据，那么，主
线程就需要新分配一个物理页（假设是物理页 53），然后把修改后的虚页 7 里的数据写到
物理页 53 上，而虚页 7 里原来的数据仍然保存在物理页 33 上。这个时候，虚页 7 到物
理页 33 的映射关系，仍然保留在 bgsave 子进程中。所以，bgsave 子进程可以无误地把
虚页 7 的原始数据写入 RDB 文件
问题 4：replication buffer 和 repl_backlog_buffer 的区别
在进行主从复制时，Redis 会使用 replication buffer 和 repl_backlog_buffer，有些同学
可能不太清楚它们的区别，我再解释下。
总的来说，replication buffer 是主从库在进行全量复制时，主库上用于和从库连接的客户
端的 buffer，而 repl_backlog_buffer 是为了支持从库增量复制，主库上用于持续保存写
操作的一块专用 buffer。
Redis 主从库在进行复制时，当主库要把全量复制期间的写操作命令发给从库时，主库会
先创建一个客户端，用来连接从库，然后通过这个客户端，把写操作命令发给从库。在内
存中，主库上的客户端就会对应一个 buffer，这个 buffer 就被称为 replication buffer。
Redis 通过 client_buffer 配置项来控制这个 buffer 的大小。主库会给每个从库建立一个
客户端，所以 replication buffer 不是共享的，而是每个从库都有一个对应的客户端。
repl_backlog_buffer 是一块专用 buffer，在 Redis 服务器启动后，开始一直接收写操作
命令，这是所有从库共享的。主库和从库会各自记录自己的复制进度，所以，不同的从库
在进行恢复时，会把自己的复制进度（slave_repl_offset）发给主库，主库就可以和它独
立同步
