Redis来啦~~ | 易学教程

一. 先聊点别的

　　1. sql & nosql

　　　sql指关系型数据库，如Oracle，MySQL等，nosql泛指非关系型数据库，如MongoDB，Redis等；SQL数据存在特定结构的表中，而NoSQL则更加灵活和可扩展，存储方式可以是JSON文档，哈希表或其他方式；在sql中必须定义好表和字段结构后才能添加数据，如主键，索引，触发器，存储过程等，表结构虽然可以在定义之后被更新，但是如果有比较大的结构变更的化就会变得比较复杂，在nosql中，数据可以在任何时候任何地方添加，不需要先定义表，nosql也可以在数据集中船舰索引；综上：nosql更加适合初始化数据还不明确或者未定的项目中。

　　2. ACID & CAP & BASE

　　ACID是指在数据库管理系统中，事务所具有的四个特性：原子性，一致性，隔离性，持久性；

　　CAP是指一致性，可用性和分区容错性，CAP理论指这三个要素最多只能实现两个；

　　BASE接受最终一致性的理论支持，BasicallyAvalable基本可用，Soft-state软状态/柔性事务，EventuallyConsistency最终一致性；

二. Redis：REmote DIctionary Server（远程字典服务器）

1. 什么是Redis？有什么优点？

　　Redis是存储kv数据结构的分布式数据库；

　　a. 读写速度快，数据存放在内存中，结构类似于HashMap，HashMap的优势就是查找和操作的时间复杂度是O(1)；

　　b. 支持丰富的数据类型，包括但不限于String，hash，set，zset，list等；

　　c. 具有丰富的特性，可以用于缓存，消息队列，可以对key设置过期时间，到期后自动删除；

　　d. 支持数据持久化到硬盘RDB&AOF；

　　e. 支持主从复制实现数据备份，可以通过哨兵模式自动选举master；

2. Redis和Memcache有什么区别，为什么能够替代它？

　　a. Memcache的值都是简单字符串，Redis支持更为丰富的数据类型；

　　b. 虽然都是内存数据库，Redis支持持久化；

　　c. Redis使用单核，单进程处理客户端请求，对读写事务响应通过epoll函数包装来做到，在大批量文件操作里使用多路IO复用，memcache多核；

　　d. Memcache 只能采用客户端使用一致性哈希实现分布式存储，Redis还支持在服务器端构建分布式存储——redis集群，保证单点故障下数据可用性，支持主从复制模式；

3. Redis是单线程的为什么还这么快？

　　a. 数据结构简单，对数据的操作也简单；

　　b. 避免了不必要的上下文切换和竞争条件，也不存在多进程或多线程导致的切换消耗CPU，不用考虑各种锁的问题；

　　c. 完全基于内存，绝大部分请求是存粹的内存操作，非常快速。数据在内存中类似HashMap，查找和操作的时间复杂度O(1)；

　　d. 使用多路I/O复用模型，非阻塞IO，多路指多个网络链接的请求，复用是同一个线程；

4. Redis的应用

　　a. 高速缓存：合理使用缓存不仅可以加速数据访问速度，而且能有效降低后端数据源的压力，Redis提供了过期时间设置，并且提供了灵活控制最大内存和内存溢出后的淘汰机制；

　　b. 排行榜系统：Redis提供列表和有序集合数据结构，合理的使用这些数据结构可以很方便构建各种排行榜系统；

　　c. 计数器：使用INCR key可以将key存储的数据+1，如果key不存在，会先初始化为0再+1；

　　d. 消息队列系统：发布订阅功能和阻塞队列可以实现基本的消息队列功能；

　　e. Session共享：redis+tomcat+nginx；

5. 安装启动及操作

　　a. 修改redis.conf，设置后台启动daemonize yes；

　　b. redis-server /myredis/redis.conf 启动；

　　c. redis-cli -p 6379 链接；

　　d. ps -ef | grep redis 看有没有启动；

　　e. shutdown 关闭；

　　f. select id 切换DB，默认16个DB；

　　g. keys * 列出key；

　　h. flushdb：删除当前数据库所有key

6. key+五大数据类型及操作

　　a. key : exists kname 有返回1，无返回0；

　　　　　　move key dbid 把key一道dbid数据库中；

　　　　　　expire key 设置key的过期时间；

　　　　　　ttl key 查看key的过期时间， -1 表示永不过期，-2表示已过期；

　　　　　　type key 查看key类型；

　　　　　　del key 删除；

　　b. String : set/get/del/append/strlen

　　　　　　　Incr/decr/incrby/decrby 一定是数字；

　　　　　　　getrange/setrange 字符串；

　　　　　　　setex/setnx 设置过期时间/set if not exist；

　　　　　　　mset/mget/msetnx 批量操作；

　　c. List: lpush/lpop/rpush/rpop/llen;

　　　　　lindex 按索引下标获得元素；

　　　　　lrem key N value 删除N个value；

　　　　　ltrim key begin end 提取指定范围内的值给key；

　　　　　rpoplpush 原列表目的列表；

　　　　　lset key index value；

　　　　　linsert key before/after 值1 值2

　　　　　空value，key消失；

　　d. Set: sadd/smembers/sismember;

　　　　　scard 获取集合中的元素；

　　　　　strem key value 删除元素；

　　　　　srandmember key 随机出几个数；

　　　　　spop 随机出栈；

　　　　　smove key1 key2 x 将key1中的x移到key2；

　　　　　数学集合：sdiff 差集； sinsert交集；sunion并集；

　　e. Hash: key对应的value是k-v对；

　　　　　hset/ hget/ hmset/ hmget/ hgetall/ hdel/ hlen/ hexists key/ hkeys / hvalues/ hincrby/

　　　　　hincrebyfloat/ hsetnx；

　　f. zset: 在set的基础上，加一个score值，k1 score1 v1 score2 v2;

　　　　　zadd key s1 v1 s2 v2;

　　　　　zrange key 0 -1 (withscore);

　　　　　zrem key s1 v1 删除s1 v1;

　　　　　zcard/zcount key score区间；

　　　　　zscore key 对应值：获得分数；

　　　　　zrank key values 获取下标值；

　　　　　zrevrank key values 逆序获取下标值；

　　　　　zrevrangebyscore key

7. 缓存过期的策略

　　a. volatile-lru : 使用LRU移除过期时间的key；

　　b. allkey-lru:使用LRU移除任意key；

　　c. volatile-random : 过期集合中随机移除key；

　　d. allkey-random：随机移除任意key；

　　e. volatile-ttl:移除ttl最小的key；

　　f. noeviction 永不过期（默认）

8. 持久化

　　a. RDB:

　　时间段内的数据集快照存入磁盘，恢复直接将快照读取到内存；Redis会单独fork一个子进程来进行持久化，会先将数据写入一个临时文件中，该临时文件用来替换上次持久化好的文件，主进程不进行任何IO操作；

　　如果进行大规模数据恢复，但是对数据完整性要求不高，RDB比AOF效率更高；它的缺点是最后一个持久化的数据可能会丢失；

　　Fork复制一个于当前进程一样的进程，所有数据都和原进程一样，如果原进程很大，fork后可能放不下；

　　RDB保存的是dump.rdb文件，在配置文件中可以设置 save second changes 持久化的频率，例如，save 120 10就表示2分钟内key修改了10次就会触发RDB持久化操作；指向shutdown指令会自自动生成dump.rdb；

　　如何触发RDB快照：默认配置；使用命令save（阻塞式）或bgsave（后台操作），flushall也会触发；

　　b. AOF(Append only file): 以日志形式记录每一个写操作，只许追加不可改写，redis启动之初会读取该文件重新构建数据；

　　appendfsync机制：Always（同步持久化，一旦更改就写入磁盘，性能差，但是完整性好），EverySec（默认，每秒记录，一秒内如果宕机会造成数据丢失），No不执行持久化；

　　AOF启动：设置appendonly yes；　　

　　正常恢复：将有数据的aof文件复制一份保存到对应目录（config get dir），重启redis后重新加载；

　　异常恢复：备份被写坏的aof，执行redis-check-aof --fix恢复；

　　rewrite：文件追加越来越大，大小超过设定的阈值，内容压缩或删除，保存可恢复的最小指令集，可以使用命令bgrewriteaof；原理是fork一条新的进程将文件重写；触发机制是redis会记录上次AOF的大小。默认是当aof文件大小是上次rewrite后大小的一倍（auto-aof-rewrite-percentage 100）且文件大于64M（auto-aof-rewrite-min-size 64m）时触发;

　　AOF与RDB相比相同数据集的数据而言aof文件远大于rdb，恢复速度慢，且aof运行效率低；但是数据更完整；

　　c. RDB or AOF? 看需求，RDB在指定时间间隔内对数据进行快照存储，AOF记录每次对服务器写的操作；如果只做缓存，不会持久化；一般同时开启，先加载AOF（更完整），RDB更适合于备份数据库，快速重启，不会有AOF可能存在的bug；

9. Redis事务

　　a. 事务：可以一次执行多个命令，本质是一组命令的集合，按序串行执行不会被其他命令插入；使用MULTI开启，输入命令到Queue中，EXEC会执行Q中命令，Discard放弃本次任务执行；watch key [key,...] 监视，事务执行前，key不变，unwatch取消所有key的监视；

10. 消息订阅和发布

　　进程间的通信模式：发送者pub发送消息，订阅者sub接收；

　　可以一次性订阅多个：subscribe c1 c2 c3；

　　消息发布：publish c2 hello-redis；

　　订阅多个：通配符 * 例如 psubscribe new*；

11. Redis主从复制

　　a. 特性：主机（master：写为主）数据更新后根据配置和策略，自动同步到备机（salves，读为主）；读写分离，容灾恢复；配从不配主，从库配置方法：slave of 主库ip 端口；

　　b. 原理：slave启动成功链接到master后会发送一个sync命令；Master接到命令会启动后台存盘进程，同时收集所有收到的用于修改数据集的命令，在后台进程执行完毕后，master将传送整个数据文件到slave，已完成一次同步；首次同步使用全量复制，只会采用增量复制；

　　c.缺点是延迟，造成不一致；

　　d. 可以考虑关闭主服务器数据的持久化功能，只从从服务器进行持久化，从服务器设置为只读模式；

12. 哨兵模式

　　心跳机制+投票裁决：每个sentinel会向其他sentinel，master，slave定时发送消息，以确定对方是否活着，如果发现对方在指定时间内未响应，则暂时认为对方挂了；若哨兵群中多数都报告某一master没响应，才认为彻底死亡，然后通过vote算法选出新的mster；

　　在sentinel.conf文件中设置sentinel monitor 主机名 ip 端口 1；

　　“1”表示主机挂掉后slave投票看谁接替成为主机，投票最多的成为主机；

　　启动哨兵：Redis-sentinel /myredis/sentinel.conf；

　　一组sentinel可以监视多个Master；

13. 缓存穿透

　　指查询一个一定不存在的数据，由于缓存不命中需要从数据库查询你，查不到数据则不写入缓存，导致每次请求该查询都要求数据库查；

　　解决：对所有可能查询得的参数以hash形式存储，在控制层先进行校验，不符合则丢弃（布隆过滤器将所有可能存在的数据hash到一个足够大的bitmap中）；也可以采用如果一个查询返回的数据为空，仍进行缓存，但过期时间很短；

14.缓存雪崩

　　缓存集中在一段时间内失效，发生大量的缓存穿透，所有查询都落在数据库上

　　解决：缓存失效后通过加锁或者队列来控制读库写缓存的线程的数量；缓存reload预先更新缓存，在即将发生大的并大访问前手动触发加载缓存；不同的key设置不同的过期时间，让缓存失效的时间点尽量均匀；二级缓存或双缓存策略，A1失效可以访问A2，A1缓存失效时间短，A2长

15. 缓存预热

　　系统上线后提前将相关的缓存数据直接加载到缓存系统，避免在用户请求时先查询数据库再将数据缓存；

16. 缓存更新

　　除redis自带的6种缓存失效策略，还可以更具具体的业务进行自定义的缓存淘汰：定时清理过期缓存（维护大量缓存的key比较麻烦）；用户请求时先判断所用到的缓存是否过期，过期就去底层系统获取数据。

17. Redis实现分布式锁

　　在分布式环境下，多个不同的线程需要对共享资源进行同步，那么用java的锁机制就不能实现，这时必须借助分布式锁来解决分布式环境下共享资源的同步问题：redis中提供了一个只有某个key不存在情况下才会设置key值得原子命令setnx，且该命令可以设置过期时间，这样，把获取key的行为当作获取锁，可以保证只有一个线程能够获取到锁且锁会自动过期；但是锁可能在业务执行完成之前过期，所以在设置key的时候，将calue值设置为一个随机的r，释放锁时不直接删除key，而是先getkey判断key对应的value是否等于先前设置的随机值，只有两者相等才删除key，由于是随机值，就不会误释放别的客户端申请的锁了。还有问题？getkey+delkey不是原子操作，还是可能误释放别人的锁，只能使用Lua脚本了，具有原子性。

18. 假如Redis中有1亿个key，其中10w个key以某个固定的已知前缀abc开头，怎么找出来？

　　使用keys abc*指令可以扫出指定模式的key列表，但是如给redis正在给线上业务提供服务，keys指令会阻塞线程一段时间（redis单线程），这个时候可以使用scan指令，结果可能会有重复，去重就行，时间较keys长。

19. Redis作异步队列

　　一般使用list结构作为队列，rpush生成消息，lpop消费消息，lpop没有消息时，适当sleep一会再重试或者可以使用blpop阻塞式pop；

　　能不能一次生产多次消费？使用pub/sub订阅者模式实现1：N的消息队列，缺点是消费者下线，生产的消息会丢失，可以用rabbitmq专业的消息队列；
redis如何实现延迟队列？使用zset，拿时间戳为score，消息内容作为key调用zadd生产消息，消费者用zrangebysocre指令获取n秒之前的数据轮询处理。

20. Redis如何保证一致性？

　　a. 为什么会不一致？

单库情况下，服务层的并发读写，缓存与数据库的操作交叉进行：

　　虽然只有一个DB，在上述诡异的异常时序下，可能会载入脏数据到缓存：

　　1）请求A发起一个写操作，第一步淘汰了cache，这个请求由于各种原因卡在服务层了，如进行大量的业务逻辑计算）；

　　2）请求B发起一个读请求，先会去读缓存，但是读不到；；

　　3）请求B又去读DB，结果读出来的是一个脏数据，然后又把脏数据放到了redis里面；

　　4）A卡了很久终于写数据库了，写入了最新的数据，这样，redis和数据库中的数据就不一致了；

　　b. 主从同步，读写分离的情况下，读从库读到旧数据：

　　1）请求A发起一个写操作，第一步淘汰了cache；

　　2）请求A写数据库了，写入最新的数据；

　　3）请求B发起一个读操作，先去读缓存，没读到；

　　4）请求3继续读DB，读的是从库，此时主从同步还没有完成，读出的是脏数据，然后脏数据入缓存；

　　5）最后数据库主从同步完成，缓存和数据库就不一致了。

　　c. 优化思路：

　　　　i. 总结一下上面出现的问题的原因：单库时服务层在进行1s的逻辑计算过程中，可能读到脏数据到缓存，多库时，在1s中主从同步延迟过程中可能读脏数据到缓存，既然脏数据就是在1s时间间隙中入缓存的，是不是可以在写请求完成后，再休眠1s，再次淘汰缓存，就能将1s内写入的脏数据淘汰掉。

ii. 二次淘汰缓存：
1. 写请求的步骤由2步升级为3步：先淘汰缓存，然后写数据库，休眠一秒，再次淘汰缓存；
2. 问题：如果所有的写请求都阻塞1s，会大大降低写请求的吞吐量，增加了处理的时间；
3. 解决：用一个异步队列timer或者消息总线异步来做这个事情：这样，写请求由2步升级为2。5步：即先淘汰缓存，再写数据库，不再休眠1s，而是往消息总线esb上发送一个消息，发送完了就能立刻返回；然后有一个异步淘汰缓存的消费者，在接收到消息后，asy-expire在1s后淘汰缓存；
4. 代价是会增加一次缓存的miss；