【Redis篇】中高级开发面试必问的Redis，看这篇就够了！

Redis 是速度非常快的非关系型（NoSQL）内存键值数据库。
键的类型只能为字符串，值支持五种数据类型：字符串、列表、集合、散列表、有序集合。

Redis常用的数据类型

数据类型	可以存储的值	操作
STRING	字符串、整数或者浮点数	对整个字符串或者字符串的其中一部分执行操作 对整数和浮点数执行自增或者自减操作
LIST	列表	从两端压入或者弹出元素 对单个或者多个元素 进行修剪，只保留一个范围内的元素
SET	无序集合	添加、获取、移除单个元素 检查一个元素是否存在于集合中 计算交集、并集、差集 从集合里面随机获取元素
HASH	包含键值对的无序散列表	添加、获取、移除单个键值对 获取所有键值对 检查某个键是否存在
ZSET	有序集合	添加、获取、删除元素 根据分值范围或者成员来获取元素 计算一个键的排名

Redis的使用场景

计数器

可以对 String 进行自增自减运算，从而实现计数器功能。
Redis 这种内存型数据库的读写性能非常高，很适合存储频繁读写的计数量。

缓存

将热点数据放到内存中，设置内存的最大使用量以及淘汰策略来保证缓存的命中率。

消息队列

List 是一个双向链表，可以通过 lpush 和 rpop 写入和读取消息
不过最好使用 Kafka、RabbitMQ 等消息中间件。

会话缓存

可以使用 Redis 来统一存储多台应用服务器的会话信息。
当应用服务器不再存储用户的会话信息，也就不再具有状态，一个用户可以请求任意一个应用服务器，从而更容易实现高可用性以及可伸缩性。

分布式锁实现

在分布式场景下，无法使用单机环境下的锁来对多个节点上的进程进行同步。
可以使用 Redis 自带的 SETNX 命令实现分布式锁，除此之外，还可以使用官方提供的 RedLock 分布式锁实现。

其他

Set 可以实现交集、并集等操作，从而实现共同好友等功能。
ZSet 可以实现有序性操作，从而实现排行榜等功能。

Redis与Memcached的区别

两者都是非关系型内存键值数据库，主要有以下不同：

• 数据类型：Memcached 仅支持字符串类型，而 Redis 支持五种不同的数据类型，可以更灵活地解决问题。
• 数据持久化：Redis 支持两种持久化策略：RDB 快照和 AOF 日志，而 Memcached 不支持持久化。
• 分布式
  • Memcached 不支持分布式，只能通过在客户端使用一致性哈希来实现分布式存储，这种方式在存储和查询时都需要先在客户端计算一次数据所在的节点。
  • Redis Cluster 实现了分布式的支持。
• 内存管理机制
  • 在 Redis 中，并不是所有数据都一直存储在内存中，可以将一些很久没用的 value 交换到磁盘，而 Memcached 的数据则会一直在内存中。
  • Memcached 将内存分割成特定长度的块来存储数据，以完全解决内存碎片的问题。但是这种方式会使得内存的利用率不高，例如块的大小为 128 bytes，只存储 100 bytes 的数据，那么剩下的 28 bytes 就浪费掉了。

键的过期时间(过期策略)

Redis 可以为每个键设置过期时间，当键过期时，会自动删除该键。
对于散列表这种容器，只能为整个键设置过期时间（整个散列表），而不能为键里面的单个元素设置过期时间。

常见的过期策略有：定时删除、惰性删除、定期删除。Redis采用的是惰性删除 + 定期删除。

惰性删除流程

• 在进行get或setnx等操作时，先检查key是否过期，
• 若过期，删除key，然后执行相应操作；
• 若没过期，直接执行相应操作

定期删除流程（简单而言，对指定个数个库的每一个库随机删除小于等于指定个数个过期key）

• 遍历每个数据库（就是redis.conf中配置的"database"数量，默认为16）
  • 检查当前库中的指定个数个key（默认是每个库检查20个key，注意相当于该循环执行20次，循环体时下边的描述）
    • 如果当前库中没有一个key设置了过期时间，直接执行下一个库的遍历
    • 随机获取一个设置了过期时间的key，检查该key是否过期，如果过期，删除key
    • 判断定期删除操作是否已经达到指定时长，若已经达到，直接退出定期删除。

对于定期删除，在程序中有一个全局变量current_db来记录下一个将要遍历的库，假设有16个库，我们这一次定期删除遍历了10个，那此时的current_db就是11，下一次定期删除就从第11个库开始遍历，假设current_db等于15了，那么之后遍历就再从0号库开始（此时current_db==0）

RDB对过期key的处理

过期key对RDB没有任何影响

• 从内存数据库持久化数据到RDB文件
  • 持久化key之前，会检查是否过期，过期的key不进入RDB文件
• 从RDB文件恢复数据到内存数据库
  • 数据载入数据库之前，会对key先进行过期检查，如果过期，不导入数据库（主库情况）

AOF对过期key的处理

过期key对AOF没有任何影响

• 从内存数据库持久化数据到AOF文件：
  • 当key过期后，还没有被删除，此时进行执行持久化操作（该key是不会进入aof文件的，因为没有发生修改命令）
  • 当key过期后，在发生删除操作时，程序会向aof文件追加一条del命令（在将来的以aof文件恢复数据的时候该过期的键就会被删掉）
• AOF重写
  • 重写时，会先判断key是否过期，已过期的key不会重写到aof文件 

数据淘汰策略(内存淘汰策略)

可以设置内存最大使用量，当内存使用量超出时，会施行数据淘汰策略。

Redis 具体有 6 种淘汰策略：

策略	描述
volatile-lru	从已设置过期时间的数据集中挑选最近最少使用的数据淘汰
volatile-ttl	从已设置过期时间的数据集中挑选将要过期的数据淘汰
volatile-random	从已设置过期时间的数据集中任意选择数据淘汰
allkeys-lru	从所有数据集中挑选最近最少使用的数据淘汰
allkeys-random	从所有数据集中任意选择数据进行淘汰
noeviction	禁止驱逐数据

作为内存数据库，出于对性能和内存消耗的考虑，Redis 的淘汰算法实际实现上并非针对所有 key，而是抽样一小部分并且从中选出被淘汰的 key。

使用 Redis 缓存数据时，为了提高缓存命中率，需要保证缓存数据都是热点数据。可以将内存最大使用量设置为热点数据占用的内存量，然后启用 allkeys-lru 淘汰策略，将最近最少使用的数据淘汰。

Redis 4.0 引入了 volatile-lfu 和 allkeys-lfu 淘汰策略，LFU 策略通过统计访问频率，将访问频率最少的键值对淘汰。

两种持久化方式

Redis 是内存型数据库，为了保证数据在断电后不会丢失，需要将内存中的数据持久化到硬盘上。

RDB 持久化

• 将某个时间点的所有数据都存放到硬盘上。
• 可以将快照复制到其它服务器从而创建具有相同数据的服务器副本。
• 如果系统发生故障，将会丢失最后一次创建快照之后的数据。
• 如果数据量很大，保存快照的时间会很长。

AOF 持久化

将写命令添加到 AOF 文件（Append Only File）的末尾。

使用 AOF 持久化需要设置同步选项，从而确保写命令什么时候会同步到磁盘文件上。这是因为对文件进行写入并不会马上将内容同步到磁盘上，而是先存储到缓冲区，然后由操作系统决定什么时候同步到磁盘。有以下同步选项：

选项	同步频率
always	每个写命令都同步
everysec	每秒同步一次
no	让操作系统来决定何时同步

• always 选项会严重减低服务器的性能；
• everysec 选项比较合适，可以保证系统崩溃时只会丢失一秒左右的数据，并且 Redis 每秒执行一次同步对服务器性能几乎没有任何影响；
• no 选项并不能给服务器性能带来多大的提升，而且也会增加系统崩溃时数据丢失的数量。

随着服务器写请求的增多，AOF 文件会越来越大。Redis 提供了一种将 AOF 重写的特性，能够去除 AOF 文件中的冗余写命令。

事务

一个事务包含了多个命令，服务器在执行事务期间，不会改去执行其它客户端的命令请求。
事务中的多个命令被一次性发送给服务器，而不是一条一条发送，这种方式被称为流水线，它可以减少客户端与服务器之间的网络通信次数从而提升性能。
Redis 最简单的事务实现方式是使用 MULTI 和 EXEC 命令将事务操作包围起来。

复制

通过使用 slaveof host port 命令来让一个服务器成为另一个服务器的从服务器。
一个从服务器只能有一个主服务器，并且不支持主主复制。

1. 主服务器创建快照文件，发送给从服务器，并在发送期间使用缓冲区记录执行的写命令。快照文件发送完毕之后，开始向从服务器发送存储在缓冲区中的写命令；
2. 从服务器丢弃所有旧数据，载入主服务器发来的快照文件，之后从服务器开始接受主服务器发来的写命令；
3. 主服务器每执行一次写命令，就向从服务器发送相同的写命令。

随着负载不断上升，主服务器可能无法很快地更新所有从服务器，或者重新连接和重新同步从服务器将导致系统超载。为了解决这个问题，可以创建一个中间层来分担主服务器的复制工作。中间层的服务器是最上层服务器的从服务器，又是最下层服务器的主服务器。

哨兵Sentinel

Sentinel（哨兵）可以监听集群中的服务器，并在主服务器进入下线状态时，自动从从服务器中选举出新的主服务器。

分片

分片是将数据划分为多个部分的方法，可以将数据存储到多台机器里面，这种方法在解决某些问题时可以获得线性级别的性能提升。
假设有 4 个 Redis 实例 R0，R1，R2，R3，还有很多表示用户的键 user:1，user:2，... ，有不同的方式来选择一个指定的键存储在哪个实例中。

• 最简单的方式是范围分片，例如用户 id 从 0~1000 的存储到实例 R0 中，用户 id 从 1001~2000 的存储到实例 R1 中，等等。但是这样需要维护一张映射范围表，维护操作代价很高。
• 还有一种方式是哈希分片，使用 CRC32 哈希函数将键转换为一个数字，再对实例数量求模就能知道应该存储的实例。

根据执行分片的位置，可以分为三种分片方式：

• 客户端分片：客户端使用一致性哈希等算法决定键应当分布到哪个节点。
• 代理分片：将客户端请求发送到代理上，由代理转发请求到正确的节点上。
• 服务器分片：Redis Cluster。

 

参考：

• 中高级开发面试必问的Redis，看这篇就够了！