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Redis学习

Redis 数据结构

Redis 数据类型

常见的有五种数据类型：String（字符串），Hash（哈希），List（列表），Set（集合）、Zset（有序集合），随着 Redis 版本的更新，后面又支持了四种数据类型： BitMap（2.2 版新增）、HyperLogLog（2.8 版新增）、GEO（3.2 版新增）、Stream（5.0 版新增）。

应用场景

  • String 类型的应用场景：缓存对象、常规计数、分布式锁、共享 session 信息等。

  • List 类型的应用场景：消息队列（但是有两个问题：1. 生产者需要自行实现全局唯一 ID；2. 不能以消费组形式消费数据）等。

  • Hash 类型：缓存对象、购物车等。

  • Set 类型：聚合计算（并集、交集、差集）场景，比如点赞、共同关注、抽奖活动等。

  • Zset 类型：排序场景，比如排行榜、电话和姓名排序等。

  • BitMap（2.2 版新增）：二值状态统计的场景，比如签到、判断用户登陆状态、连续签到用户总数等；

  • HyperLogLog（2.8 版新增）：海量数据基数统计的场景，比如百万级网页 UV 计数等；

  • GEO（3.2 版新增）：存储地理位置信息的场景，比如滴滴叫车；

  • Stream（5.0 版新增）：消息队列，相比于基于 List 类型实现的消息队列，有这两个特有的特性：自动生成全局唯一消息ID，支持以消费组形式消费数据。

Redis 线程模型

Redis 是单线程吗？

Redis 单线程指的是「接收客户端请求->解析请求 ->进行数据读写等操作->发送数据给客户端」这个过程是由一个线程（主线程）来完成的，这也是我们常说 Redis 是单线程的原因。

但是，Redis 程序并不是单线程的，Redis 在启动的时候，是会启动后台线程（BIO）的：

  • Redis 在 2.6 版本，会启动 2 个后台线程，分别处理关闭文件、AOF 刷盘这两个任务；
  • Redis 在 4.0 版本之后，新增了一个新的后台线程，用来异步释放 Redis 内存，也就是 lazyfree 线程。例如执行 unlink key / flushdb async / flushall async 等命令，会把这些删除操作交给后台线程来执行，好处是不会导致 Redis 主线程卡顿。因此，当我们要删除一个大 key 的时候，不要使用 del 命令删除，因为 del 是在主线程处理的，这样会导致 Redis 主线程卡顿，因此我们应该使用 unlink 命令来异步删除大key。

之所以 Redis 为「关闭文件、AOF 刷盘、释放内存」这些任务创建单独的线程来处理，是因为这些任务的操作都是很耗时的，如果把这些任务都放在主线程来处理，那么 Redis 主线程就很容易发生阻塞，这样就无法处理后续的请求了。后台线程相当于一个消费者，生产者把耗时任务丢到任务队列中，消费者（BIO）不停轮询这个队列，拿出任务就去执行对应的方法即可。
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Redis 采用单线程为什么还这么快？

  • Redis 的大部分操作都在内存中完成，并且采用了高效的数据结构，因此 Redis 瓶颈可能是机器的内存或者网络带宽，而并非 CPU，既然 CPU 不是瓶颈，那么自然就采用单线程的解决方案了；
  • Redis 采用单线程模型可以避免了多线程之间的竞争，省去了多线程切换带来的时间和性能上的开销，而且也不会导致死锁问题。
  • Redis 采用了 I/O 多路复用机制处理大量的客户端 Socket 请求，IO 多路复用机制是指一个线程处理多个 IO 流，就是我们经常听到的 select/epoll 机制。简单来说，在 Redis 只运行单线程的情况下，该机制允许内核中，同时存在多个监听 Socket 和已连接 Socket。内核会一直监听这些 Socket 上的连接请求或数据请求。一旦有请求到达，就会交给 Redis 线程处理，这就实现了一个 Redis 线程处理多个 IO 流的效果。

Redis 6.0 之后为什么引入了多线程？

虽然 Redis 的主要工作（网络 I/O 和执行命令）一直是单线程模型，但是在 Redis 6.0 版本之后，也采用了多个 I/O 线程来处理网络请求，这是因为随着网络硬件的性能提升，Redis 的性能瓶颈有时会出现在网络 I/O 的处理上。

所以为了提高网络 I/O 的并行度，Redis 6.0 对于网络 I/O 采用多线程来处理。但是对于命令的执行，Redis 仍然使用单线程来处理

Redis 持久化

Redis 共有三种数据持久化的方式：

  • AOF 日志：每执行一条写操作命令，就把该命令以追加的方式写入到一个文件里；
  • RDB 快照：将某一时刻的内存数据，以二进制的方式写入磁盘；
  • 混合持久化方式：Redis 4.0 新增的方式，集成了 AOF 和 RBD 的优点；

AOF 日志是怎么实现的

Redis 在执行完一条写操作命令后，就会把该命令以追加的方式写入到一个文件里，然后 Redis 重启时，会读取该文件记录的命令，然后逐一执行命令的方式来进行数据恢复。

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为什么先执行命令，再把数据写入日志呢？

Reids 是先执行写操作命令后，才将该命令记录到 AOF 日志里的，这么做其实有两个好处。

  • 避免额外的检查开销：因为如果先将写操作命令记录到 AOF 日志里，再执行该命令的话，如果当前的命令语法有问题，那么如果不进行命令语法检查，该错误的命令记录到 AOF 日志里后，Redis 在使用日志恢复数据时，就可能会出错。
  • 不会阻塞当前写操作命令的执行：因为当写操作命令执行成功后，才会将命令记录到 AOF 日志。

带来的风险：

  • 数据可能会丢失： 执行写操作命令和记录日志是两个过程，那当 Redis 在还没来得及将命令写入到硬盘时，服务器发生宕机了，这个数据就会有丢失的风险。
  • 可能阻塞其他操作： 由于写操作命令执行成功后才记录到 AOF 日志，所以不会阻塞当前命令的执行，但因为 AOF 日志也是在主线程中执行，所以当 Redis 把日志文件写入磁盘的时候，还是会阻塞后续的操作无法执行。

AOF 写回策略有几种？

  1. Redis 执行完写操作命令后，会将命令追加到 server.aof_buf 缓冲区；
  2. 然后通过 write() 系统调用，将 aof_buf 缓冲区的数据写入到 AOF 文件，此时数据并没有写入到硬盘，而是拷贝到了内核缓冲区 page cache，等待内核将数据写入硬盘；
  3. 具体内核缓冲区的数据什么时候写入到硬盘，由内核决定。

Redis 提供了 3 种写回硬盘的策略，控制的就是上面说的第三步的过程。 在 Redis.conf 配置文件中的 appendfsync 配置项可以有以下 3 种参数可填：

  • Always，这个单词的意思是「总是」，所以它的意思是每次写操作命令执行完后，同步将 AOF 日志数据写回硬盘；
  • Everysec，这个单词的意思是「每秒」，所以它的意思是每次写操作命令执行完后，先将命令写入到 AOF 文件的内核缓冲区，然后每隔一秒将缓冲区里的内容写回到硬盘；
  • No，意味着不由 Redis 控制写回硬盘的时机，转交给操作系统控制写回的时机，也就是每次写操作命令执行完后，先将命令写入到 AOF 文件的内核缓冲区，再由操作系统决定何时将缓冲区内容写回硬盘。

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AOF日志过大，会触发什么机制

AOF 日志是一个文件，随着执行的写操作命令越来越多，文件的大小会越来越大。 如果当 AOF 日志文件过大就会带来性能问题，比如重启 Redis 后，需要读 AOF 文件的内容以恢复数据，如果文件过大，整个恢复的过程就会很慢。

所以，Redis 为了避免 AOF 文件越写越大，提供了 AOF 重写机制，当 AOF 文件的大小超过所设定的阈值后，Redis 就会启用 AOF 重写机制，来压缩 AOF 文件。

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重写 AOF 日志的过程是怎样的

Redis 的重写 AOF 过程是由后台子进程 *bgrewriteaof* 来完成的，这么做可以达到两个好处：

  • 子进程进行 AOF 重写期间，主进程可以继续处理命令请求，从而避免阻塞主进程；
  • 子进程带有主进程的数据副本，这里使用子进程而不是线程，因为如果是使用线程，多线程之间会共享内存，那么在修改共享内存数据的时候，需要通过加锁来保证数据的安全，而这样就会降低性能。而使用子进程，创建子进程时，父子进程是共享内存数据的，不过这个共享的内存只能以只读的方式，而当父子进程任意一方修改了该共享内存，就会发生「写时复制」，于是父子进程就有了独立的数据副本，就不用加锁来保证数据安全。

触发重写机制后，主进程就会创建重写 AOF 的子进程，此时父子进程共享物理内存，重写子进程只会对这个内存进行只读，重写 AOF 子进程会读取数据库里的所有数据，并逐一把内存数据的键值对转换成一条命令，再将命令记录到重写日志（新的 AOF 文件）

在重写 AOF 期间，当 Redis 执行完一个写命令之后，它会同时将这个写命令写入到 「AOF 缓冲区」和 「AOF 重写缓冲区」
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也就是说，在 bgrewriteaof 子进程执行 AOF 重写期间，主进程需要执行以下三个工作:

  • 执行客户端发来的命令；
  • 将执行后的写命令追加到 「AOF 缓冲区」；
  • 将执行后的写命令追加到 「AOF 重写缓冲区」；

RDB 快照是如何实现的

因为 AOF 日志记录的是操作命令，不是实际的数据，所以用 AOF 方法做故障恢复时，需要全量把日志都执行一遍，一旦 AOF 日志非常多，势必会造成 Redis 的恢复操作缓慢。因为 AOF 日志记录的是操作命令，不是实际的数据，所以用 AOF 方法做故障恢复时，需要全量把日志都执行一遍，一旦 AOF 日志非常多，势必会造成 Redis 的恢复操作缓慢。

RDB 快照就是记录某一个瞬间的内存数据，记录的是实际数据，而 AOF 文件记录的是命令操作的日志，而不是实际的数据。

RDB 恢复数据的效率会比 AOF 高些，因为直接将 RDB 文件读入内存就可以，不需要像 AOF 那样还需要额外执行操作命令的步骤才能恢复数据。

RDB 做快照时会阻塞线程吗？

Redis 提供了两个命令来生成 RDB 文件，分别是 save 和 bgsave，他们的区别就在于是否在「主线程」里执行：

  • 执行了 save 命令，就会在主线程生成 RDB 文件，由于和执行操作命令在同一个线程，所以如果写入 RDB 文件的时间太长，会阻塞主线程；
  • 执行了 bgsave 命令，会创建一个子进程来生成 RDB 文件，这样可以避免主线程的阻塞；

Redis 还可以通过配置文件的选项来实现每隔一段时间自动执行一次 bgsave 命令，默认会提供以下配置：

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执行的是 bgsave 命令，也就是会创建子进程来生成 RDB 快照文件。 只要满足上面条件的任意一个，就会执行 bgsave，它们的意思分别是：

  • 900 秒之内，对数据库进行了至少 1 次修改；
  • 300 秒之内，对数据库进行了至少 10 次修改；
  • 60 秒之内，对数据库进行了至少 10000 次修改。

Redis 的快照是全量快照，也就是说每次执行快照，都是把内存中的「所有数据」都记录到磁盘中。所以执行快照是一个比较重的操作，如果频率太频繁，可能会对 Redis 性能产生影响。如果频率太低，服务器故障时，丢失的数据会更多。

执行 bgsave 过程中，Redis 依然可以继续处理操作命令的，也就是数据是能被修改的，关键的技术就在于写时复制技术（Copy-On-Write, COW）。

执行 bgsave 命令的时候，会通过 fork() 创建子进程，此时子进程和父进程是共享同一片内存数据的，因为创建子进程的时候，会复制父进程的页表，但是页表指向的物理内存还是一个，此时如果主线程执行读操作，则主线程和 bgsave 子进程互相不影响。

如果主线程执行写操作，则被修改的数据会复制一份副本，然后 bgsave 子进程会把该副本数据写入 RDB 文件，在这个过程中，主线程仍然可以直接修改原来的数据。

混合持久化

RDB 优点是数据恢复速度快，但是快照的频率不好把握。频率太低，丢失的数据就会比较多，频率太高，就会影响性能。

AOF 优点是丢失数据少，但是数据恢复不快。

为了集成了两者的优点， Redis 4.0 提出了混合使用 AOF 日志和内存快照，也叫混合持久化，既保证了 Redis 重启速度，又降低数据丢失风险。

混合持久化工作在 AOF 日志重写过程，当开启了混合持久化时，在 AOF 重写日志时，fork 出来的重写子进程会先将与主线程共享的内存数据以 RDB 方式写入到 AOF 文件，然后主线程处理的操作命令会被记录在重写缓冲区里，重写缓冲区里的增量命令会以 AOF 方式写入到 AOF 文件，写入完成后通知主进程将新的含有 RDB 格式和 AOF 格式的 AOF 文件替换旧的的 AOF 文件。

也就是说，使用了混合持久化，AOF 文件的前半部分是 RDB 格式的全量数据，后半部分是 AOF 格式的增量数据。

高可用

主从复制

这个模式可以保证多台服务器的数据一致性，且主从服务器之间采用的是「读写分离」的方式。

主服务器可以进行读写操作，当发生写操作时自动将写操作同步给从服务器，而从服务器一般是只读，并接受主服务器同步过来写操作命令，然后执行这条命令。

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也就是说，所有的数据修改只在主服务器上进行，然后将最新的数据同步给从服务器，这样就使得主从服务器的数据是一致的。

第一次同步

现在有服务器 A 和 服务器 B，我们在服务器 B 上执行下面这条命令：

# 服务器 B 执行这条命令
replicaof <服务器 A 的 IP 地址> <服务器 A 的 Redis 端口号>

接着，服务器 B 就会变成服务器 A 的「从服务器」，然后与主服务器进行第一次同步。

主从服务器间的第一次同步的过程可分为三个阶段：

  • 第一阶段是建立链接、协商同步；

从服务器就会给主服务器发送 psync 命令，表示要进行数据同步，主服务器收到 psync 命令后，会用 FULLRESYNC 作为响应命令返回给对方，FULLRESYNC 响应命令的意图是采用全量复制的方式，也就是主服务器会把所有的数据都同步给从服务器。

  • 第二阶段是主服务器同步数据给从服务器；

接着，主服务器会执行 bgsave 命令来生成 RDB 文件，然后把文件发送给从服务器。从服务器收到 RDB 文件后，会先清空当前的数据，然后载入 RDB 文件。主服务器生成 RDB 这个过程是不会阻塞主线程的，因为 bgsave 命令是产生了一个子进程来做生成 RDB 文件的工作，是异步工作的，这样 Redis 依然可以正常处理命令。

为了保证主从服务器的数据一致性，主服务器在下面这三个时间间隙中将收到的写操作命令，写入到 replication buffer 缓冲区里：

  1. 主服务器生成 RDB 文件期间；

  2. 主服务器发送 RDB 文件给从服务器期间；

  3. 「从服务器」加载 RDB 文件期间；

  • 第三阶段是主服务器发送新写操作命令给从服务器

在主服务器生成的 RDB 文件发送完，从服务器收到 RDB 文件后，丢弃所有旧数据，将 RDB 数据载入到内存。完成 RDB 的载入后，会回复一个确认消息给主服务器。

接着，主服务器将 replication buffer 缓冲区里所记录的写操作命令发送给从服务器，从服务器执行来自主服务器 replication buffer 缓冲区里发来的命令，这时主从服务器的数据就一致了。

分摊主节点的压力

主服务器是可以有多个从服务器的，如果从服务器数量非常多，而且都与主服务器进行全量同步的话，就会带来两个问题：

  • 由于是通过 bgsave 命令来生成 RDB 文件的，那么主服务器就会忙于使用 fork() 创建子进程，如果主服务器的内存数据非大，在执行 fork() 函数时是会阻塞主线程的，从而使得 Redis 无法正常处理请求；
  • 传输 RDB 文件会占用主服务器的网络带宽，会对主服务器响应命令请求产生影响。

从服务器可以有自己的从服务器，我们可以把拥有从服务器的从服务器当作经理角色，它不仅可以接收主服务器的同步数据，自己也可以同时作为主服务器的形式将数据同步给从服务器

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增量复制

当从节点与主节点断开又重连后，主服务器怎么知道要将哪些增量数据发送给从服务器呢？

  • repl_backlog_buffer，是一个「环形」缓冲区，用于主从服务器断连后，从中找到差异的数据；
  • replication offset，标记上面那个缓冲区的同步进度，主从服务器都有各自的偏移量，主服务器使用 master_repl_offset 来记录自己「写」到的位置，从服务器使用 slave_repl_offset 来记录自己「读」到的位置。

在主服务器进行命令传播时，不仅会将写命令发送给从服务器，还会将写命令写入到 repl_backlog_buffer 缓冲区里，因此 这个缓冲区里会保存着最近传播的写命令。

网络断开后，当从服务器重新连上主服务器时，从服务器会通过 psync 命令将自己的复制偏移量 slave_repl_offset 发送给主服务器，主服务器根据自己的 master_repl_offset 和 slave_repl_offset 之间的差距，然后来决定对从服务器执行哪种同步操作：

  • 如果判断出从服务器要读取的数据还在 repl_backlog_buffer 缓冲区里，那么主服务器将采用增量同步的方式；
  • 相反，如果判断出从服务器要读取的数据已经不存在 repl_backlog_buffer 缓冲区里，那么主服务器将采用全量同步的方式。

当主服务器在 repl_backlog_buffer 中找到主从服务器差异（增量）的数据后，就会将增量的数据写入到 replication buffer 缓冲区，它是缓存将要传播给从服务器的命令。

为了避免在网络恢复时，主服务器频繁地使用全量同步的方式，我们应该调整下 repl_backlog_buffer 缓冲区大小，尽可能的大一些，减少出现从服务器要读取的数据被覆盖的概率，从而使得主服务器采用增量同步的方式。

主从如何做到故障自动切换？

主节点挂了 ，从节点是无法自动升级为主节点的，这个过程需要人工处理，在此期间 Redis 无法对外提供写操作。

哨兵机制

为什么要有哨兵机制？

在 Redis 的主从架构中，由于主从模式是读写分离的，如果主节点（master）挂了，那么将没有主节点来服务客户端的写操作请求，也没有主节点给从节点（slave）进行数据同步了，这时如果要恢复服务的话，需要人工介入，选择一个「从节点」切换为「主节点」，然后让其他从节点指向新的主节点，同时还需要通知上游那些连接 Redis 主节点的客户端，将其配置中的主节点 IP 地址更新为「新主节点」的 IP 地址。

哨兵（*Sentinel*）机制，它的作用是实现主从节点故障转移。它会监测主节点是否存活，如果发现主节点挂了，它就会选举一个从节点切换为主节点，并且把新主节点的相关信息通知给从节点和客户端。

哨兵其实是一个运行在特殊模式下的 Redis 进程，所以它也是一个节点。从“哨兵”这个名字也可以看得出来，它相当于是“观察者节点”，观察的对象是主从节点。

当然，它不仅仅是观察那么简单，在它观察到有异常的状况下，会做出一些“动作”，来修复异常状态。

哨兵节点主要负责三件事情：监控、选主、通知。

如何判断主节点真的故障了

哨兵会每隔 1 秒给所有主从节点发送 PING 命令，当主从节点收到 PING 命令后，会发送一个响应命令给哨兵，这样就可以判断它们是否在正常运行

如果主节点或者从节点没有在规定的时间内响应哨兵的 PING 命令，哨兵就会将它们标记为「主观下线」。这个「规定的时间」是配置项 down-after-milliseconds 参数设定的，单位是毫秒

为什么主节点会有主观下线和客观下线两个状态呢

因为有可能「主节点」其实并没有真实故障，可能只是因为主节点的系统压力比较大或者网络发送了拥塞，导致主节点没有在规定时间内响应哨兵的 PING 命令。

怎么判定主节点为「客观下线」的

当一个哨兵判断主节点为「主观下线」后，就会向其他哨兵发起命令，其他哨兵收到这个命令后，就会根据自身和主节点的网络状况，做出赞成投票或者拒绝投票的响应。

当这个哨兵的赞同票数达到哨兵配置文件中的 quorum 配置项设定的值后，这时主节点就会被该哨兵标记为「客观下线」。

由哪个哨兵进行主从故障转移

为了更加“客观”的判断主节点故障了，一般不会只由单个哨兵的检测结果来判断，而是多个哨兵一起判断，这样可以减少误判概率，所以哨兵是以哨兵集群的方式存在的

  1. 首先由认为主节点客观下线的哨兵作为候选者，其他哨兵会根据自己和主节点的网络连接情况，做出赞成投票或者拒绝投票的响应
  2. 当认为主节点客观下线的哨兵收到赞成票数达到哨兵配置文件中的 quorum 配置项设定的值后，就会将主节点标记为「客观下线」，此时的这个少报价将会作为哨兵中的Leader候选者
  3. 所有节点进行投票，Leader候选者将票投给自己（只有候选者可以投给自己），

成为哨兵Leader的条件：

  • 第一，拿到半数以上的赞成票；
  • 第二，拿到的票数同时还需要大于等于哨兵配置文件中的 quorum 值。

主从故障转移的过程

主从故障转移操作包含以下四个步骤：

  • 第一步：在已下线主节点（旧主节点）属下的所有「从节点」里面，挑选出一个从节点，并将其转换为主节点。
  • 第二步：让已下线主节点属下的所有「从节点」修改复制目标，修改为复制「新主节点」；
  • 第三步：将新主节点的 IP 地址和信息，通过「发布者/订阅者机制」通知给客户端；
  • 第四步：继续监视旧主节点，当这个旧主节点重新上线时，将它设置为新主节点的从节点；
怎么选新的主节点

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  • 第一轮考察：哨兵首先会根据从节点的优先级来进行排序，优先级越小排名越靠前，
  • 第二轮考察：如果优先级相同，则查看复制的下标，哪个从「主节点」接收的复制数据多，哪个就靠前。
  • 第三轮考察：如果优先级和下标都相同，就选择从节点 ID 较小的那个。
posted @ 2023-10-31 11:02  Xianhao  阅读(62)  评论(0)  编辑  收藏  举报