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Redis教程

Redis知识点总结

Redis常见面试题总结(上)

Redis 基础

什么是 Redis

​ Redis 是一个基于 C 语言开发的开源数据库(BSD 许可),与传统数据库不同的是 Redis 的数据是存在内存中的(内存数据库),读写速度非常快,被广泛应用于缓存方向。并且,Redis 存储的是 KV 键值对数据。

​ 为了满足不同的业务场景,Redis 内置了多种数据类型实现(比如 String、Hash、Sorted Set、Bitmap)。并且,Redis 还支持事务持久化Lua 脚本、多种开箱即用的集群方案(Redis Sentinel、Redis Cluster)。Redis 没有外部依赖,Linux 和 OS X 是 Redis 开发和测试最多的两个操作系统,官方推荐生产环境使用 Linux 部署 Redis。

​ 个人学习的话,你可以自己本机安装 Redis 或者通过 Redis 官网提供的在线 Redis 环境open in new window来实际体验 Redis。

Redis 为什么这么快?

Redis 内部做了非常多的性能优化,比较重要的主要有下面 3 点:

  • Redis 基于内存,内存的访问速度是磁盘的上千倍;
  • Redis 基于 Reactor 模式设计开发了一套高效的事件处理模型,主要是单线程事件循环和 IO 多路复用(Redis 线程模式后面会详细介绍到);
  • Redis 内置了多种优化过后的数据结构实现,性能非常高。

下面这张图片总结的挺不错的,分享一下,出自 Why is Redis so fast?

分布式缓存常见的技术选型方案有哪些?

​ 分布式缓存的话,比较老牌同时也是使用的比较多的还是 MemcachedRedis。不过,现在基本没有看过还有项目使用 Memcached 来做缓存,都是直接用 Redis。Memcached 是分布式缓存最开始兴起的那会,比较常用的。后来,随着 Redis 的发展,大家慢慢都转而使用更加强大的 Redis 了。

​ 另外,腾讯也开源了一款类似于 Redis 的分布式高性能 KV 存储数据库,基于知名的开源项目 RocksDB 作为存储引擎 ,100% 兼容 Redis 协议和 Redis4.0 所有数据模型,名为 Tendis。关于 Redis 和 Tendis 的对比,腾讯官方曾经发过一篇文章:Redis vs Tendis:冷热混合存储版架构揭秘 ,可以简单参考一下。

​ 从这个项目的 Github 提交记录可以看出,Tendis 开源版几乎已经没有被维护更新了,加上其关注度并不高,使用的公司也比较少。因此,不建议你使用 Tendis 来实现分布式缓存。

说一下 Redis 和 Memcached 的区别和共同点

​ 现在公司一般都是用 Redis 来实现缓存,而且 Redis 自身也越来越强大了!不过,了解 Redis 和 Memcached 的区别和共同点,有助于我们在做相应的技术选型的时候,能够做到有理有据!

共同点

  1. 都是基于内存的数据库,一般都用来当做缓存使用。
  2. 都有过期策略
  3. 两者的性能都非常高。

区别

  1. Redis 支持更丰富的数据类型(支持更复杂的应用场景)。Redis 不仅仅支持简单的 k/v 类型的数据,同时还提供 list,set,zset,hash 等数据结构的存储。Memcached 只支持最简单的 k/v 数据类型。
  2. Redis 支持数据的持久化,可以将内存中的数据保持在磁盘中,重启的时候可以再次加载进行使用,而 Memcached 把数据全部存在内存之中。
  3. Redis 有灾难恢复机制。 因为可以把缓存中的数据持久化到磁盘上。
  4. Redis 在服务器内存使用完之后,可以将不用的数据放到磁盘上。但是,Memcached 在服务器内存使用完之后,就会直接报异常。
  5. Memcached 没有原生的集群模式,需要依靠客户端来实现往集群中分片写入数据;但是 Redis 目前是原生支持 cluster 模式的。
  6. Memcached 是多线程,非阻塞 IO 复用的网络模型;Redis 使用单线程的多路 IO 复用模型。 (Redis 6.0 引入了多线程 IO )
  7. Redis 支持发布订阅模型、Lua 脚本、事务等功能,而 Memcached 不支持。并且,Redis 支持更多的编程语言。
  8. Memcached 过期数据的删除策略只用了惰性删除,而 Redis 同时使用了惰性删除与定期删除。

相信看了上面的对比之后,我们已经没有什么理由可以选择使用 Memcached 来作为自己项目的分布式缓存了。

缓存数据的处理流程是怎样的?

​ 简单来说就是:

  1. 如果用户请求的数据在缓存中就直接返回
  2. 缓存中不存在的话就看数据库中是否存在。
  3. 数据库中存在的话就更新缓存中的数据。
  4. 数据库中不存在的话就返回空数据。

为什么要用 Redis/为什么要用缓存?

​ 下面我们主要从“高性能”和“高并发”这两点来回答这个问题。

高性能

​ 假如用户第一次访问数据库中的某些数据的话,这个过程是比较慢,毕竟是从硬盘中读取的。但是,如果说,用户访问的数据属于高频数据并且不会经常改变的话,那么我们就可以很放心地将该用户访问的数据存在缓存中。

这样有什么好处呢? 那就是保证用户下一次再访问这些数据的时候就可以直接从缓存中获取了。操作缓存就是直接操作内存,所以速度相当快。

高并发

​ 一般像 MySQL 这类的数据库的 QPS 大概都在 1w 左右(4 核 8g) ,但是使用 Redis 缓存之后很容易达到 10w+,甚至最高能达到 30w+(就单机 Redis 的情况,Redis 集群的话会更高)。

QPS(Query Per Second):服务器每秒可以执行的查询次数;

​ 由此可见,直接操作缓存能够承受的数据库请求数量是远远大于直接访问数据库的,所以我们可以考虑把数据库中的部分数据转移到缓存中去,这样用户的一部分请求会直接到缓存这里而不用经过数据库。进而,我们也就提高了系统整体的并发。

Redis 除了做缓存,还能做什么?

  • 分布式锁 : 通过 Redis 来做分布式锁是一种比较常见的方式。通常情况下,我们都是基于 Redisson 来实现分布式锁。相关阅读:《分布式锁中的王者方案 - Redisson》。
  • 限流 :一般是通过 Redis + Lua 脚本的方式来实现限流。相关阅读:《我司用了 6 年的 Redis 分布式限流器,可以说是非常厉害了!》。
  • 消息队列 :Redis 自带的 list 数据结构可以作为一个简单的队列使用。Redis 5.0 中增加的 Stream 类型的数据结构更加适合用来做消息队列。它比较类似于 Kafka,有主题和消费组的概念,支持消息持久化以及 ACK 机制。
  • 复杂业务场景 :通过 Redis 以及 Redis 扩展(比如 Redisson)提供的数据结构,我们可以很方便地完成很多复杂的业务场景比如通过 bitmap 统计活跃用户、通过 sorted set 维护排行榜。

Redis 可以做消息队列么?

​ Redis 5.0 新增加的一个数据结构 Stream 可以用来做消息队列,Stream 支持:

  • 发布 / 订阅模式
  • 按照消费者组进行消费
  • 消息持久化( RDB 和 AOF)

​ 不过,和专业的消息队列相比,还是有很多欠缺的地方比如消息丢失和堆积问题不好解决。因此,我们通常建议是不使用 Redis 来做消息队列的,你完全可以选择市面上比较成熟的一些消息队列比如 RocketMQ、Kafka。

相关文章推荐:Redis 消息队列的三种方案(List、Streams、Pub/Sub)

Redis 数据结构

Redis 常用的数据结构有哪些?

  • 5 种基础数据结构 :String(字符串)、List(列表)、Set(集合)、Hash(散列)、Zset(有序集合)。
  • 3 种特殊数据结构 :HyperLogLogs(基数统计)、Bitmap (位存储)、Geospatial (地理位置)。

​ 关于 5 种基础数据结构的详细介绍请看这篇文章:Redis 5 种基本数据结构详解。

​ 关于 3 种特殊数据结构的详细介绍请看这篇文章:Redis 3 种特殊数据结构详解。

String 的应用场景有哪些?

  • 常规数据(比如 session、token、序列化后的对象)的缓存;
  • 计数比如用户单位时间的请求数(简单限流可以用到)、页面单位时间的访问数;
  • 分布式锁(利用 SETNX key value 命令可以实现一个最简易的分布式锁);

String 还是 Hash 存储对象数据更好呢?

  • String 存储的是序列化后的对象数据,存放的是整个对象。Hash 是对对象的每个字段单独存储,可以获取部分字段的信息,也可以修改或者添加部分字段,节省网络流量。如果对象中某些字段需要经常变动或者经常需要单独查询对象中的个别字段信息,Hash 就非常适合。
  • String 存储相对来说更加节省内存,缓存相同数量的对象数据,String 消耗的内存约是 Hash 的一半。并且,存储具有多层嵌套的对象时也方便很多。如果系统对性能和资源消耗非常敏感的话,String 就非常适合。

在绝大部分情况,我们建议使用 String 来存储对象数据即可

购物车信息用 String 还是 Hash 存储更好呢?

​ 由于购物车中的商品频繁修改和变动,购物车信息建议使用 Hash 存储:

  • 用户 id 为 key
  • 商品 id 为 field,商品数量为 value

​ 那用户购物车信息的维护具体应该怎么操作呢?

  • 用户添加商品就是往 Hash 里面增加新的 field 与 value;
  • 查询购物车信息就是遍历对应的 Hash;
  • 更改商品数量直接修改对应的 value 值(直接 set 或者做运算皆可);
  • 删除商品就是删除 Hash 中对应的 field;
  • 清空购物车直接删除对应的 key 即可。

​ 这里只是以业务比较简单的购物车场景举例,实际电商场景下,field 只保存一个商品 id 是没办法满足需求的。

使用 Redis 实现一个排行榜怎么做?

​ Redis 中有一个叫做 sorted set数据结构经常被用在各种排行榜的场景,比如直播间送礼物的排行榜、朋友圈的微信步数排行榜、王者荣耀中的段位排行榜、话题热度排行榜等等。相关的一些 Redis 命令: ZRANGE (从小到大排序) 、 ZREVRANGE (从大到小排序)、ZREVRANK (指定元素排名)。

使用 Set 实现抽奖系统需要用到什么命令?

  • SPOP key count : 随机移除并获取指定集合中一个或多个元素,适合不允许重复中奖的场景。
  • SRANDMEMBER key count : 随机获取指定集合中指定数量的元素,适合允许重复中奖的场景。

使用 Bitmap 统计活跃用户怎么做?

​ 使用日期(精确到天)作为 key,然后用户 ID 为 offset,如果当日活跃过就设置为 1。

​ 初始化数据:

> SETBIT 20210308 1 1
(integer) 0
> SETBIT 20210308 2 1
(integer) 0
> SETBIT 20210309 1 1
(integer) 0

​ 统计 20210308~20210309 总活跃用户数:

> BITOP and desk1 20210308 20210309
(integer) 1
> BITCOUNT desk1
(integer) 1

​ 统计 20210308~20210309 在线活跃用户数:

> BITOP or desk2 20210308 20210309
(integer) 1
> BITCOUNT desk2
(integer) 2

使用 HyperLogLog 统计页面 UV 怎么做?

1、将访问指定页面的每个用户 ID 添加到 HyperLogLog 中。

PFADD PAGE_1:UV USER1 USER2 ...... USERn

2、统计指定页面的 UV。

PFCOUNT PAGE_1:UV

Redis 线程模型

​ 对于读写命令来说,Redis 一直是单线程模型。不过,在 Redis 4.0 版本之后引入了多线程来执行一些大键值对的异步删除操作, Redis 6.0 版本之后引入了多线程来处理网络请求(提高网络 IO 读写性能)。

Redis 单线程模型了解吗?

Redis 基于 Reactor 模式设计开发了一套高效的事件处理模型 (Netty 的线程模型也基于 Reactor 模式,Reactor 模式不愧是高性能 IO 的基石),这套事件处理模型对应的是 Redis 中的文件事件处理器(file event handler)。由于文件事件处理器(file event handler)是单线程方式运行的,所以我们一般都说 Redis 是单线程模型。

​ 《Redis 设计与实现》有一段话是如是介绍文件事件处理器的,我觉得写得挺不错。

Redis 基于 Reactor 模式开发了自己的网络事件处理器:这个处理器被称为文件事件处理器(file event handler)。

  • 文件事件处理器使用 I/O 多路复用(multiplexing)程序来同时监听多个套接字,并根据套接字目前执行的任务来为套接字关联不同的事件处理器。
  • 当被监听的套接字准备好执行连接应答(accept)、读取(read)、写入(write)、关 闭(close)等操作时,与操作相对应的文件事件就会产生,这时文件事件处理器就会调用套接字之前关联好的事件处理器来处理这些事件。

虽然文件事件处理器以单线程方式运行,但通过使用 I/O 多路复用程序来监听多个套接字,文件事件处理器既实现了高性能的网络通信模型,又可以很好地与 Redis 服务器中其他同样以单线程方式运行的模块进行对接,这保持了 Redis 内部单线程设计的简单性。

既然是单线程,那怎么监听大量的客户端连接呢?

​ Redis 通过 IO 多路复用程序 来监听来自客户端的大量连接(或者说是监听多个 socket),它会将感兴趣的事件及类型(读、写)注册到内核中并监听每个事件是否发生。这样的好处非常明显: I/O 多路复用技术的使用让 Redis 不需要额外创建多余的线程来监听客户端的大量连接,降低了资源的消耗(和 NIO 中的 Selector 组件很像)。

​ 文件事件处理器(file event handler)主要是包含 4 个部分:

  • 多个 socket(客户端连接)
  • IO 多路复用程序(支持多个客户端连接的关键)
  • 文件事件分派器(将 socket 关联到相应的事件处理器)
  • 事件处理器(连接应答处理器、命令请求处理器、命令回复处理器)

相关阅读:Redis 事件机制详解

Redis6.0 之前为什么不使用多线程?

​ 虽然说 Redis 是单线程模型,但是,实际上,Redis 在 4.0 之后的版本中就已经加入了对多线程的支持。不过,Redis 4.0 增加的多线程主要是针对一些大键值对的删除操作的命令,使用这些命令就会使用主线程之外的其他线程来“异步处理”。

​ 为此,Redis 4.0 之后新增了UNLINK(可以看作是 DEL 的异步版本)、FLUSHALL ASYNC(清空数据库)、FLUSHDB ASYNC(清空数据库)等异步命令。

大体上来说,Redis 6.0 之前主要还是单线程处理。

那 Redis6.0 之前为什么不使用多线程? 我觉得主要原因有 3 点:

  • 单线程编程容易并且更容易维护;
  • Redis 的性能瓶颈不在 CPU ,主要在内存网络
  • 多线程就会存在死锁线程上下文切换等问题,甚至会影响性能

相关阅读:为什么 Redis 选择单线程模型。

Redis6.0 之后为何引入了多线程?

Redis6.0 引入多线程主要是为了提高网络 IO 读写性能,因为这个算是 Redis 中的一个性能瓶颈(Redis 的瓶颈主要受限于内存和网络)。

​ 虽然,Redis6.0 引入了多线程,但是 Redis 的多线程只是在网络数据的读写这类耗时操作上使用了,执行命令仍然是单线程顺序执行。因此,你也不需要担心线程安全问题。Redis6.0 的多线程默认是禁用的,只使用主线程。如需开启需要修改 redis 配置文件 redis.conf

io-threads-do-reads yes

​ 开启多线程后,还需要设置线程数,否则是不生效的。同样需要修改 redis 配置文件 redis.conf :

io-threads 4 #官网建议4核的机器建议设置为2或3个线程,8核的建议设置为6个线程

相关阅读:

  • Redis 6.0 新特性-多线程连环 13 问!
  • Redis 多线程网络模型全面揭秘(推荐)

Redis 内存管理

Redis 给缓存数据设置过期时间有啥用?

​ 一般情况下,我们设置保存的缓存数据的时候都会设置一个过期时间。为什么呢?因为内存是有限的,如果缓存中的所有数据都是一直保存的话,分分钟直接 Out of memory

​ Redis 自带了给缓存数据设置过期时间的功能,比如:

127.0.0.1:6379> exp key 60 # 数据在 60s 后过期
(integer) 1
127.0.0.1:6379> setex key 60 value # 数据在 60s 后过期 (setex:[set] + [ex]pire)
OK
127.0.0.1:6379> ttl key # 查看数据还有多久过期
(integer) 56

​ 注意:Redis 中除了字符串类型有自己独有设置过期时间的命令 setex 外,其他方法都需要依靠 expire 命令来设置过期时间 。另外, persist 命令可以移除一个键的过期时间。

过期时间除了有助于缓解内存的消耗,还有什么其他用么?

​ 很多时候,我们的业务场景就是需要某个数据只在某一时间段内存在,比如我们的短信验证码可能只在 1 分钟内有效,用户登录的 token 可能只在 1 天内有效。如果使用传统的数据库来处理的话,一般都是自己判断过期,这样更麻烦并且性能要差很多。

Redis 是如何判断数据是否过期的呢?

​ Redis 通过一个叫做过期字典(可以看作是 hash 表)来保存数据过期的时间。过期字典的键指向 Redis 数据库中的某个 key(键),过期字典的值是一个 long long 类型的整数,这个整数保存了 key 所指向的数据库键的过期时间(毫秒精度的 UNIX 时间戳)。

​ 过期字典是存储在 redisDb 这个结构里的:

typedef struct redisDb {
    ...

    dict *dict;     //数据库键空间,保存着数据库中所有键值对
    dict *expires   // 过期字典,保存着键的过期时间
    ...
} redisDb;

过期的数据的删除策略了解么?

​ 如果假设你设置了一批 key 只能存活 1 分钟,那么 1 分钟后,Redis 是怎么对这批 key 进行删除的呢?常用的过期数据的删除策略就两个(重要!自己造缓存轮子的时候需要格外考虑的东西):

  1. 惰性删除 :只会在取出 key 的时候才对数据进行过期检查。这样对 CPU 最友好,但是可能会造成太多过期 key 没有被删除
  2. 定期删除每隔一段时间抽取一批 key 执行删除过期 key 操作。并且,Redis 底层会通过限制删除操作执行的时长和频率来减少删除操作对 CPU 时间的影响

​ 定期删除对内存更加友好,惰性删除对 CPU 更加友好。两者各有千秋,所以 Redis 采用的是 定期删除+惰性/懒汉式删除 。但是,仅仅通过给 key 设置过期时间还是有问题的。因为还是可能存在定期删除和惰性删除漏掉了很多过期 key 的情况。这样就导致大量过期 key 堆积在内存里,然后就 Out of memory 了。

​ 怎么解决这个问题呢?答案就是:Redis 内存淘汰机制。

Redis 内存淘汰机制了解么?

相关问题:MySQL 里有 2000w 数据,Redis 中只存 20w 的数据,如何保证 Redis 中的数据都是热点数据?

Redis 提供 6 种数据淘汰策略:

  1. volatile-lru(least recently used):从已设置过期时间的数据集(server.db[i].expires)中挑选最近最少使用的数据淘汰
  2. volatile-ttl:从已设置过期时间的数据集(server.db[i].expires)中挑选将要过期的数据淘汰
  3. volatile-random:从已设置过期时间的数据集(server.db[i].expires)中任意选择数据淘汰
  4. allkeys-lru(least recently used):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
  5. allkeys-random:从数据集(server.db[i].dict)中任意选择数据淘汰
  6. no-eviction:禁止驱逐数据,也就是说当内存不足以容纳新写入数据时,新写入操作会报错。这个应该没人使用吧!

4.0 版本后增加以下两种:

  1. volatile-lfu(least frequently used):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
  2. allkeys-lfu(least frequently used):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 持久化机制

怎么保证 Redis 挂掉之后再重启数据可以进行恢复?

​ 很多时候我们需要持久化数据也就是将内存中的数据写入到硬盘里面,大部分原因是为了之后重用数据(比如重启机器、机器故障之后恢复数据),或者是为了防止系统故障而将数据备份到一个远程位置。

​ Redis 不同于 Memcached 的很重要一点就是,Redis 支持持久化,而且支持两种不同的持久化操作。Redis 的一种持久化方式叫快照(snapshotting,RDB),另一种方式是只追加文件(append-only file, AOF)。这两种方法各有千秋,下面我会详细这两种持久化方法是什么,怎么用,如何选择适合自己的持久化方法。

什么是 RDB 持久化?

​ Redis 可以通过创建快照来获得存储在内存里面的数据在某个时间点上的副本。Redis 创建快照之后,可以对快照进行备份,可以将快照复制到其他服务器从而创建具有相同数据的服务器副本(Redis 主从结构,主要用来提高 Redis 性能),还可以将快照留在原地以便重启服务器的时候使用。

​ 快照持久化是 Redis 默认采用的持久化方式,在 redis.conf 配置文件中默认有此下配置:

save 900 1           #在900秒(15分钟)之后,如果至少有1个key发生变化,Redis就会自动触发bgsave命令创建快照。

save 300 10          #在300秒(5分钟)之后,如果至少有10个key发生变化,Redis就会自动触发bgsave命令创建快照。

save 60 10000        #在60秒(1分钟)之后,如果至少有10000个key发生变化,Redis就会自动触发bgsave命令创建快照。

RDB 创建快照时会阻塞主线程吗?

Redis 提供了两个命令来生成 RDB 快照文件:

  • save : 主线程执行,会阻塞主线程;
  • bgsave : 子线程执行,不会阻塞主线程,默认选项。

什么是 AOF 持久化?

​ 与快照持久化相比,AOF 持久化的实时性更好,因此已成为主流的持久化方案。默认情况下 Redis 没有开启 AOF(append only file)方式的持久化,可以通过 appendonly 参数开启:

appendonly yes

​ 开启 AOF 持久化后每执行一条会更改 Redis 中的数据的命令,Redis 就会将该命令写入到内存缓存 server.aof_buf 中,然后再根据 appendfsync 配置来决定何时将其同步到硬盘中的 AOF 文件。AOF 文件的保存位置和 RDB 文件的位置相同,都是通过 dir 参数设置的,默认的文件名是 appendonly.aof

​ 在 Redis 的配置文件中存在三种不同的 AOF 持久化方式,它们分别是:

appendfsync always    #每次有数据修改发生时都会写入AOF文件,这样会严重降低Redis的速度
appendfsync everysec  #每秒钟同步一次,显式地将多个写命令同步到硬盘
appendfsync no        #让操作系统决定何时进行同步

​ 为了兼顾数据和写入性能,用户可以考虑 appendfsync everysec 选项 ,让 Redis 每秒同步一次 AOF 文件,Redis 性能几乎没受到任何影响。而且这样即使出现系统崩溃,用户最多只会丢失一秒之内产生的数据。当硬盘忙于执行写入操作的时候,Redis 还会优雅的放慢自己的速度以便适应硬盘的最大写入速度。

相关 issue

  • Redis 的 AOF 方式 #783
  • Redis AOF 重写描述不准确 #1439

AOF 日志是如何实现的?

​ 关系型数据库(如 MySQL)通常都是执行命令之前记录日志(方便故障恢复),而 Redis AOF 持久化机制是在执行完命令之后再记录日志。

为什么是在执行完命令之后记录日志呢?

  • 避免额外的检查开销,AOF 记录日志不会对命令进行语法检查
  • 在命令执行完之后再记录,不会阻塞当前的命令执行。

这样也带来了风险(我在前面介绍 AOF 持久化的时候也提到过):

  • 如果刚执行完命令 Redis 就宕机会导致对应的修改丢失
  • 可能会阻塞后续其他命令的执行(AOF 记录日志是在 Redis 主线程中进行的)。

AOF 重写了解吗?

​ AOF 重写可以产生一个新的 AOF 文件,这个新的 AOF 文件和原有的 AOF 文件所保存的数据库状态一样,但体积更小。AOF 重写是一个有歧义的名字,该功能是通过读取数据库中的键值对来实现的,程序无须对现有 AOF 文件进行任何读入、分析或者写入操作。

​ 在执行 BGREWRITEAOF 命令时,Redis 服务器会维护一个 AOF 重写缓冲区,该缓冲区会在子进程创建新 AOF 文件期间,记录服务器执行的所有写命令。当子进程完成创建新 AOF 文件的工作之后,服务器会将重写缓冲区中的所有内容追加到新 AOF 文件的末尾,使得新的 AOF 文件保存的数据库状态与现有的数据库状态一致。最后,服务器用新的 AOF 文件替换旧的 AOF 文件,以此来完成 AOF 文件重写操作。

Redis 4.0 对于持久化机制做了什么优化?

​ Redis 4.0 开始支持 RDB 和 AOF 的混合持久化(默认关闭,可以通过配置项 aof-use-rdb-preamble 开启)。

​ 如果把混合持久化打开,AOF 重写的时候就直接把 RDB 的内容写到 AOF 文件开头。这样做的好处是可以结合 RDB 和 AOF 的优点, 快速加载同时避免丢失过多的数据。当然缺点也是有的, AOF 里面的 RDB 部分是压缩格式不再是 AOF 格式,可读性较差

官方文档地址:https://redis.io/topics/persistence

参考

  • 《Redis 开发与运维》
  • 《Redis 设计与实现》
  • Redis 命令总结:http://Redisdoc.com/string/set.html
  • 通俗易懂的Redis数据结构基础教程 - 掘金 (juejin.cn)****
  • WHY Redis choose single thread (vs multi threads): https://medium.com/@jychen7/sharing-redis-single-thread-vs-multi-threads-5870bd44d153

Redis常见面试题总结(下)

Redis 事务

如何使用 Redis 事务?

​ Redis 可以通过 MULTIEXECDISCARDWATCH 等命令来实现事务(transaction)功能。

> MULTI
OK
> SET USER "Guide哥"
QUEUED
> GET USER
QUEUED
> EXEC
1) OK
2) "Guide哥"

​ 使用 MULTI 命令后可以输入多个命令。Redis 不会立即执行这些命令,而是将它们放到队列,当调用了 EXECopen in new window 命令将执行所有命令。

这个过程是这样的:

  1. 开始事务(MULTI)。
  2. 命令入队(批量操作 Redis 的命令,先进先出(FIFO)的顺序执行)。
  3. 执行事务(EXEC)。

​ 你也可以通过 DISCARD 命令取消一个事务,它会清空事务队列中保存的所有命令。

> MULTI
OK
> SET USER "Guide哥"
QUEUED
> GET USER
QUEUED
> DISCARD
OK

WATCH 命令用于监听指定的键,当调用 EXEC 命令执行事务时,如果一个被 WATCH 命令监视的键被修改的话,整个事务都不会执行,直接返回失败。

> WATCH USER
OK
> MULTI
> SET USER "Guide哥"
OK
> GET USER
Guide哥
> EXEC
ERR EXEC without MULTI

Redis 支持原子性吗?

​ Redis 的事务和我们平时理解的关系型数据库的事务不同。我们知道事务具有四大特性: 1. 原子性2. 隔离性3. 持久性4. 一致性

  1. 原子性(Atomicity): 事务是最小的执行单位,不允许分割。事务的原子性确保动作要么全部完成,要么完全不起作用;
  2. 隔离性(Isolation): 并发访问数据库时,一个用户的事务不被其他事务所干扰,各并发事务之间数据库是独立的;
  3. 持久性(Durability): 一个事务被提交之后。它对数据库中数据的改变是持久的,即使数据库发生故障也不应该对其有任何影响。
  4. 一致性(Consistency): 执行事务前后,数据保持一致,多个事务对同一个数据读取的结果是相同的;

​ Redis 事务在运行错误的情况下,除了执行过程中出现错误的命令外,其他命令都能正常执行。并且,Redis 是不支持回滚(roll back)操作的。因此,Redis 事务其实是不满足原子性的(而且不满足持久性)。Redis 官网也解释了自己为啥不支持回滚。简单来说就是 Redis 开发者们觉得没必要支持回滚,这样更简单便捷并且性能更好。Redis 开发者觉得即使命令执行错误也应该在开发过程中就被发现而不是生产过程中。

​ 你可以将 Redis 中的事务就理解为 :Redis 事务提供了一种将多个命令请求打包的功能。然后,再按顺序执行打包的所有命令,并且不会被中途打断。除了不满足原子性之外,事务中的每条命令都会与 Redis 服务器进行网络交互,这是比较浪费资源的行为。明明一次批量执行多个命令就可以了,这种操作实在是看不懂。

​ 因此,Redis 事务是不建议在日常开发中使用的。

相关 issue :

  • issue452: 关于 Redis 事务不满足原子性的问题 。
  • Issue491:关于 redis 没有事务回滚?

如何解决 Redis 事务的缺陷?

​ Redis 从 2.6 版本开始支持执行 Lua 脚本,它的功能和事务非常类似。我们可以利用 Lua 脚本来批量执行多条 Redis 命令,这些 Redis 命令会被提交到 Redis 服务器一次性执行完成,大幅减小了网络开销。一段 Lua 脚本可以视作一条命令执行,一段 Lua 脚本执行过程中不会有其他脚本或 Redis 命令同时执行,保证了操作不会被其他指令插入或打扰。

​ 如果 Lua 脚本运行时出错并中途结束,出错之后的命令是不会被执行的。并且,出错之前执行的命令是无法被撤销的。因此,严格来说,通过 Lua 脚本来批量执行 Redis 命令也是不满足原子性的。另外,Redis 7.0 新增了 Redis functions 特性,你可以将 Redis functions 看作是比 Lua 更强大的脚本。

Redis 性能优化

Redis bigkey

什么是 bigkey?

​ 简单来说,如果一个 key 对应的 value 所占用的内存比较大,那这个 key 就可以看作是 bigkey。具体多大才算大呢?有一个不是特别精确的参考标准:string 类型的 value 超过 10 kb,复合类型的 value 包含的元素超过 5000 个(对于复合类型的 value 来说,不一定包含的元素越多,占用的内存就越多)。

bigkey 有什么危害?

​ 除了会消耗更多的内存空间,bigkey 对性能也会有比较大的影响。因此,我们应该尽量避免写入 bigkey!

如何发现 bigkey?

1、使用 Redis 自带的 --bigkeys 参数来查找。

# redis-cli -p 6379 --bigkeys

# Scanning the entire keyspace to find biggest keys as well as
# average sizes per key type.  You can use -i 0.1 to sleep 0.1 sec
# per 100 SCAN commands (not usually needed).

[00.00%] Biggest string found so far '"ballcat:oauth:refresh_auth:f6cdb384-9a9d-4f2f-af01-dc3f28057c20"' with 4437 bytes
[00.00%] Biggest list   found so far '"my-list"' with 17 items

-------- summary -------

Sampled 5 keys in the keyspace!
Total key length in bytes is 264 (avg len 52.80)

Biggest   list found '"my-list"' has 17 items
Biggest string found '"ballcat:oauth:refresh_auth:f6cdb384-9a9d-4f2f-af01-dc3f28057c20"' has 4437 bytes

1 lists with 17 items (20.00% of keys, avg size 17.00)
0 hashs with 0 fields (00.00% of keys, avg size 0.00)
4 strings with 4831 bytes (80.00% of keys, avg size 1207.75)
0 streams with 0 entries (00.00% of keys, avg size 0.00)
0 sets with 0 members (00.00% of keys, avg size 0.00)
0 zsets with 0 members (00.00% of keys, avg size 0.00

​ 从这个命令的运行结果,我们可以看出:这个命令会扫描(Scan) Redis 中的所有 key ,会对 Redis 的性能有一点影响。并且,这种方式只能找出每种数据结构 top 1 bigkey(占用内存最大的 string 数据类型,包含元素最多的复合数据类型)。

2、分析 RDB 文件

​ 通过分析 RDB 文件来找出 big key。这种方案的前提是你的 Redis 采用的是 RDB 持久化。

网上有现成的代码/工具可以直接拿来使用:

  • redis-rdb-tools :Python 语言写的用来分析 Redis 的 RDB 快照文件用的工具
  • rdb_bigkeys : Go 语言写的用来分析 Redis 的 RDB 快照文件用的工具,性能更好。

大量 key 集中过期问题

​ 我在上面提到过:对于过期 key,Redis 采用的是 定期删除+惰性/懒汉式删除 策略。

​ 定期删除执行过程中,如果突然遇到大量过期 key 的话,客户端请求必须等待定期清理过期 key 任务线程执行完成,因为这个这个定期任务线程是在 Redis 主线程中执行的。这就导致客户端请求没办法被及时处理,响应速度会比较慢

如何解决呢?下面是两种常见的方法:

  1. 给 key 设置随机过期时间
  2. 开启 lazy-free(惰性删除/延迟释放) 。lazy-free 特性是 Redis 4.0 开始引入的,指的是让 Redis 采用异步方式延迟释放 key 使用的内存,将该操作交给单独的子线程处理,避免阻塞主线程。

​ 个人建议不管是否开启 lazy-free,我们都尽量给 key 设置随机过期时间

Redis 生产问题

缓存穿透

什么是缓存穿透?

​ 缓存穿透说简单点就是大量请求的 key 根本不存在于缓存中,导致请求直接到了数据库上,根本没有经过缓存这一层。举个例子:某个黑客故意制造我们缓存中不存在的 key 发起大量请求,导致大量请求落到数据库。

缓存穿透情况的处理流程是怎样的?

​ 如下图所示,用户的请求最终都要跑到数据库中查询一遍。

有哪些解决办法?

​ 最基本的就是首先做好参数校验,一些不合法的参数请求直接抛出异常信息返回给客户端。比如查询的数据库 id 不能小于 0、传入的邮箱格式不对的时候直接返回错误消息给客户端等等。

1)缓存无效 key

​ 如果缓存和数据库都查不到某个 key 的数据就写一个到 Redis 中去并设置过期时间,具体命令如下: SET key value EX 10086 。这种方式可以解决请求的 key 变化不频繁的情况,如果黑客恶意攻击,每次构建不同的请求 key,会导致 Redis 中缓存大量无效的 key 。很明显,这种方案并不能从根本上解决此问题。如果非要用这种方式来解决穿透问题的话,尽量将无效的 key 的过期时间设置短一点比如 1 分钟。

​ 另外,这里多说一嘴,一般情况下我们是这样设计 key 的: 表名:列名:主键名:主键值

​ 如果用 Java 代码展示的话,差不多是下面这样的:

public Object getObjectInclNullById(Integer id) {
    // 从缓存中获取数据
    Object cacheValue = cache.get(id);
    // 缓存为空
    if (cacheValue == null) {
        // 从数据库中获取
        Object storageValue = storage.get(key);
        // 缓存空对象
        cache.set(key, storageValue);
        // 如果存储数据为空,需要设置一个过期时间(300秒)
        if (storageValue == null) {
            // 必须设置过期时间,否则有被攻击的风险
            cache.expire(key, 60 * 5);
        }
        return storageValue;
    }
    return cacheValue;
}

2)布隆过滤器

​ 布隆过滤器是一个非常神奇的数据结构,通过它我们可以非常方便地判断一个给定数据是否存在于海量数据中。我们需要的就是判断 key 是否合法,有没有感觉布隆过滤器就是我们想要找的那个“人”。

​ 具体是这样做的:把所有可能存在的请求的值都存放在布隆过滤器中,当用户请求过来,先判断用户发来的请求的值是否存在于布隆过滤器中。不存在的话,直接返回请求参数错误信息给客户端,存在的话才会走下面的流程。

​ 加入布隆过滤器之后的缓存处理流程图如下。

​ 但是,需要注意的是布隆过滤器可能会存在误判的情况。总结来说就是: 布隆过滤器说某个元素存在,小概率会误判。布隆过滤器说某个元素不在,那么这个元素一定不在。

为什么会出现误判的情况呢? 我们还要从布隆过滤器的原理来说!

我们先来看一下,当一个元素加入布隆过滤器中的时候,会进行哪些操作:

  1. 使用布隆过滤器中的哈希函数对元素值进行计算,得到哈希值(有几个哈希函数得到几个哈希值)。
  2. 根据得到的哈希值,在位数组中把对应下标的值置为 1。

我们再来看一下,当我们需要判断一个元素是否存在于布隆过滤器的时候,会进行哪些操作:

  1. 对给定元素再次进行相同的哈希计算;
  2. 得到值之后判断位数组中的每个元素是否都为 1,如果值都为 1,那么说明这个值在布隆过滤器中,如果存在一个值不为 1,说明该元素不在布隆过滤器中。

​ 然后,一定会出现这样一种情况:不同的字符串可能哈希出来的位置相同 (可以适当增加位数组大小或者调整我们的哈希函数来降低概率)

​ 更多关于布隆过滤器的内容可以看我的这篇原创:《不了解布隆过滤器?一文给你整的明明白白!》 ,强烈推荐,个人感觉网上应该找不到总结的这么明明白白的文章了。

缓存雪崩

什么是缓存雪崩?

​ 我发现缓存雪崩这名字起的有点意思,哈哈。

​ 实际上,缓存雪崩描述的就是这样一个简单的场景:缓存在同一时间大面积的失效,后面的请求都直接落到了数据库上,造成数据库短时间内承受大量请求。 这就好比雪崩一样,摧枯拉朽之势,数据库的压力可想而知,可能直接就被这么多请求弄宕机了。

​ 举个例子:系统的缓存模块出了问题比如宕机导致不可用。造成系统的所有访问,都要走数据库

​ 还有一种缓存雪崩的场景是:有一些被大量访问数据(热点缓存)在某一时刻大面积失效,导致对应的请求直接落到了数据库上。 这样的情况,有下面几种解决办法:

​ 举个例子 :秒杀开始 12 个小时之前,我们统一存放了一批商品到 Redis 中,设置的缓存过期时间也是 12 个小时,那么秒杀开始的时候,这些秒杀的商品的访问直接就失效了。导致的情况就是,相应的请求直接就落到了数据库上,就像雪崩一样可怕。

有哪些解决办法?

针对 Redis 服务不可用的情况:

  1. 采用 Redis 集群,避免单机出现问题整个缓存服务都没办法使用。
  2. 限流,避免同时处理大量的请求。

针对热点缓存失效的情况:

  1. 设置不同的失效时间比如随机设置缓存的失效时间。
  2. 缓存永不失效。

如何保证缓存和数据库数据的一致性?

​ 细说的话可以扯很多,但是我觉得其实没太大必要(小声 BB:很多解决方案我也没太弄明白)。我个人觉得引入缓存之后,如果为了短时间的不一致性问题,选择让系统设计变得更加复杂的话,完全没必要。

​ 下面单独对 Cache Aside Pattern(旁路缓存模式) 来聊聊。

​ Cache Aside Pattern 中遇到写请求是这样的:更新 DB,然后直接删除 cache 。

​ 如果更新数据库成功,而删除缓存这一步失败的情况的话,简单说两个解决方案:

  1. 缓存失效时间变短(不推荐,治标不治本) :我们让缓存数据的过期时间变短,这样的话缓存就会从数据库中加载数据。另外,这种解决办法对于先操作缓存后操作数据库的场景不适用。
  2. 增加 cache 更新重试机制(常用): 如果 cache 服务当前不可用导致缓存删除失败的话,我们就隔一段时间进行重试,重试次数可以自己定。如果多次重试还是失败的话,我们可以把当前更新失败的 key 存入队列中,等缓存服务可用之后,再将缓存中对应的 key 删除即可。

相关文章推荐:缓存和数据库一致性问题,看这篇就够了 - 水滴与银弹。


3种常用的缓存读写策略详解

​ 看到很多小伙伴简历上写了“熟练使用缓存”,但是被我问到“缓存常用的3种读写策略”的时候却一脸懵逼。在我看来,造成这个问题的原因是我们在学习 Redis 的时候,可能只是简单了写一些 Demo,并没有去关注缓存的读写策略,或者说压根不知道这回事。

​ 但是,搞懂3种常见的缓存读写策略对于实际工作中使用缓存以及面试中被问到缓存都是非常有帮助的!下面介绍到的三种模式各有优劣,不存在最佳模式,根据具体的业务场景选择适合自己的缓存读写模式。

Cache Aside Pattern(旁路缓存模式)

Cache Aside Pattern 是我们平时使用比较多的一个缓存读写模式,比较适合读请求比较多的场景。Cache Aside Pattern 中服务端需要同时维系 db 和 cache,并且是以 db 的结果为准

​ 下面我们来看一下这个策略模式下的缓存读写步骤。

  • 先更新 db
  • 然后直接删除 cache 。

简单画了一张图帮助大家理解写的步骤。

:

  • 从 cache 中读取数据,读取到就直接返回
  • cache 中读取不到的话,就从 db 中读取数据返回
  • 再把数据放到 cache 中。

​ 简单画了一张图帮助大家理解读的步骤。

​ 你仅仅了解了上面这些内容的话是远远不够的,我们还要搞懂其中的原理。比如说面试官很可能会追问:“在写数据的过程中,可以先删除 cache ,后更新 db 么?

答案: 那肯定是不行的!因为这样可能会造成 数据库(db)和缓存(Cache)数据不一致的问题。

​ 举例:请求 1 先写数据 A,请求 2 随后读数据 A 的话,就很有可能产生数据不一致性的问题。

这个过程可以简单描述为:

请求 1 先把 cache 中的 A 数据删除 -> 请求 2 从 db 中读取数据->请求 1 再把 db 中的 A 数据更新

​ 当你这样回答之后,面试官可能会紧接着就追问:“在写数据的过程中,先更新 db,后删除 cache 就没有问题了么?

答案: 理论上来说还是可能会出现数据不一致性的问题,不过概率非常小,因为缓存的写入速度是比数据库的写入速度快很多。

​ 举例:请求 1 先读数据 A,请求 2 随后写数据 A,并且数据 A 在请求 1 请求之前不在缓存中的话,也有可能产生数据不一致性的问题。

这个过程可以简单描述为:

请求 1 从 db 读数据 A-> 请求 2 更新 db 中的数据 A(此时缓存中无数据 A ,故不用执行删除缓存操作 ) -> 请求 1 将数据 A 写入 cache

​ 现在我们再来分析一下 Cache Aside Pattern 的缺陷

缺陷 1:首次请求数据一定不在 cache 的问题

​ 解决办法:可以将热点数据可以提前放入 cache 中。

缺陷 2:写操作比较频繁的话导致 cache 中的数据会被频繁被删除,这样会影响缓存命中率 。

​ 解决办法:

  • 数据库和缓存数据强一致场景 :更新 db 的时候同样更新 cache,不过我们需要加一个锁/分布式锁来保证更新 cache 的时候不存在线程安全问题。
  • 可以短暂地允许数据库和缓存数据不一致的场景 :更新 db 的时候同样更新 cache,但是给缓存加一个比较短的过期时间,这样的话就可以保证即使数据不一致的话影响也比较小。

Read/Write Through Pattern(读写穿透)

​ Read/Write Through Pattern 中服务端把 cache 视为主要数据存储,从中读取数据并将数据写入其中。cache 服务负责将此数据读取和写入 db,从而减轻了应用程序的职责。这种缓存读写策略小伙伴们应该也发现了在平时在开发过程中非常少见。抛去性能方面的影响,大概率是因为我们经常使用的分布式缓存 Redis 并没有提供 cache 将数据写入 db 的功能。

写(Write Through):

  • 先查 cache,cache 中不存在,直接更新 db。
  • cache 中存在,则先更新 cache,然后 cache 服务自己更新 db(同步更新 cache 和 db)。

简单画了一张图帮助大家理解写的步骤。

读(Read Through):

  • 从 cache 中读取数据,读取到就直接返回 。
  • 读取不到的话,先从 db 加载,写入到 cache 后返回响应。

简单画了一张图帮助大家理解读的步骤。

​ Read-Through Pattern 实际只是在 Cache-Aside Pattern 之上进行了封装。在 Cache-Aside Pattern 下,发生读请求的时候,如果 cache 中不存在对应的数据,是由客户端自己负责把数据写入 cache,而 Read Through Pattern 则是 cache 服务自己来写入缓存的(写入缓存再返回,旁路缓存则是先返回后写入缓存),这对客户端是透明的。

​ 和 Cache Aside Pattern 一样, Read-Through Pattern 也有首次请求数据一定不再 cache 的问题,对于热点数据可以提前放入缓存中。

Write Behind Pattern(异步缓存写入)

​ Write Behind Pattern 和 Read/Write Through Pattern 很相似,两者都是由 cache 服务来负责 cache 和 db 的读写

​ 但是,两个又有很大的不同:Read/Write Through 是同步更新 cache 和 db,而 Write Behind 则是只更新缓存,不直接更新 db,而是改为异步批量的方式来更新 db。很明显,这种方式对数据一致性带来了更大的挑战,比如 cache 数据可能还没异步更新 db 的话,cache 服务可能就就挂掉了。这种策略在我们平时开发过程中也非常非常少见,但是不代表它的应用场景少,比如消息队列中消息的异步写入磁盘、MySQL 的 Innodb Buffer Pool 机制都用到了这种策略。

​ Write Behind Pattern 下 db 的写性能非常高,非常适合一些数据经常变化对数据一致性要求没那么高的场景,比如浏览量、点赞量。

Redis 5 种基本数据结构详解

String(字符串)

介绍

​ String 是 Redis 中最简单同时也是最常用的一个数据结构。String 是一种二进制安全的数据结构,可以用来存储任何类型的数据比如字符串、整数、浮点数、图片(图片的 base64 编码或者解码或者图片的路径)、序列化后的对象。

​ 虽然 Redis 是用 C 语言写的,但是 Redis 并没有使用 C 的字符串表示,而是自己构建了一种 简单动态字符串(Simple Dynamic String,SDS)。相比于 C 的原生字符串,Redis 的 SDS 不光可以保存文本数据还可以保存二进制数据,并且获取字符串长度复杂度为 O(1)(C 字符串为 O(N)),除此之外,Redis 的 SDS API 是安全的,不会造成缓冲区溢出。

常用命令

命令 介绍
SET key value 设置指定 key 的值
SETNX key value 只有在 key 不存在时设置 key 的值
GET key 获取指定 key 的值
MSET key1 value1 key2 value2 … 设置一个或多个指定 key 的值
MGET key1 key2 ... 获取一个或多个指定 key 的值
STRLEN key 返回 key 所储存的字符串值的长度
INCR key 将 key 中储存的数字值增一
DECR key 将 key 中储存的数字值减一
EXISTS key 判断指定 key 是否存在
DEL key(通用) 删除指定的 key
EXPIRE key seconds(通用) 给指定 key 设置过期时间

​ 更多 Redis String 命令以及详细使用指南,请查看 Redis 官网对应的介绍:https://redis.io/commands/?group=string 。

基本操作

> SET key value
OK
> GET key
"value"
> EXISTS key
(integer) 1
> STRLEN key
(integer) 5
> DEL key
(integer) 1
> GET key
(nil)

批量设置

> MSET key1 value1 key2 value2
OK
> MGET key1 key2 # 批量获取多个 key 对应的 value
1) "value1"
2) "value2"

计数器(字符串的内容为整数的时候可以使用):

> SET number 1
OK
> INCR number # 将 key 中储存的数字值增一
(integer) 2
> GET number
"2"
> DECR number # 将 key 中储存的数字值减一
(integer) 1
> GET number
"1"

设置过期时间(默认为永不过期)

> EXPIRE key 60
(integer) 1
> SETNX key 60 value # 设置值并设置过期时间
OK
> TTL key
(integer) 56

应用场景

需要存储常规数据的场景

  • 举例 :缓存 session、token、图片地址、序列化后的对象(相比较于 Hash 存储更节省内存)。
  • 相关命令 : SETGET

需要计数的场景

  • 举例 :用户单位时间的请求数(简单限流可以用到)、页面单位时间的访问数。
  • 相关命令 :SETGETINCRDECR

分布式锁

利用 SETNX key value 命令可以实现一个最简易的分布式锁(存在一些缺陷,通常不建议这样实现分布式锁)。

List(列表)

介绍

​ Redis 中的 List 其实就是链表数据结构的实现。许多高级编程语言都内置了链表的实现比如 Java 中的 LinkedList,但是 C 语言并没有实现链表,所以 Redis 实现了自己的链表数据结构。Redis 的 List 的实现为一个 双向链表,即可以支持反向查找和遍历,更方便操作,不过带来了部分额外的内存开销。

常用命令

命令 介绍
RPUSH key value1 value2 ... 在指定列表的尾部(右边)添加一个或多个元素
LPUSH key value1 value2 ... 在指定列表的头部(左边)添加一个或多个元素
LSET key index value 将指定列表索引 index 位置的值设置为 value
LPOP key 移除并获取指定列表的第一个元素(最左边)
RPOP key 移除并获取指定列表的最后一个元素(最右边)
LLEN key 获取列表元素数量
LRANGE key start end 获取列表 start 和 end 之间 的元素

通过 RPUSH/LPOP 或者 LPUSH/RPOP实现队列

> RPUSH myList value1
(integer) 1
> RPUSH myList value2 value3
(integer) 3
> LPOP myList
"value1"
> LRANGE myList 0 1
1) "value2"
2) "value3"
> LRANGE myList 0 -1
1) "value2"
2) "value3"

通过 RPUSH/RPOP或者LPUSH/LPOP 实现栈

> RPUSH myList2 value1 value2 value3
(integer) 3
> RPOP myList2 # 将 list的头部(最右边)元素取出
"value3"

​ 我专门画了一个图方便大家理解 RPUSH , LPOP , lpush , RPOP 命令:

通过 LRANGE 查看对应下标范围的列表元素

> RPUSH myList value1 value2 value3
(integer) 3
> LRANGE myList 0 1
1) "value1"
2) "value2"
> LRANGE myList 0 -1
1) "value1"
2) "value2"
3) "value3"

​ 通过 LRANGE 命令,你可以基于 List 实现分页查询,性能非常高!通过 LLEN 查看链表长度

> LLEN myList
(integer) 3

应用场景

信息流展示

  • 举例 :最新文章、最新动态。
  • 相关命令 : LPUSHLRANGE

消息队列

​ Redis List 数据结构可以用来做消息队列,只是功能过于简单且存在很多缺陷,不建议这样做。相对来说,Redis 5.0 新增加的一个数据结构 Stream 更适合做消息队列一些,只是功能依然非常简陋。和专业的消息队列相比,还是有很多欠缺的地方比如消息丢失和堆积问题不好解决。

Hash(哈希)

介绍

​ Redis 中的 Hash 是一个 String 类型的 field-value(键值对) 的映射表,特别适合用于存储对象,后续操作的时候,你可以直接修改这个对象中的某些字段的值。Hash 类似于 JDK1.8 前的 HashMap,内部实现也差不多(数组 + 链表)。不过,Redis 的 Hash 做了更多优化。

常用命令

命令 介绍
HSET key field value 设置指定哈希表中指定字段的值
HSETNX key field value 只有指定字段不存在时设置指定字段的值
HMSET key field1 value1 field2 value2 ... 同时将一个或多个 field-value (域-值)对设置到指定哈希表中
HGET key field 获取指定哈希表中指定字段的值
HMGET key field1 field2 ... 获取指定哈希表中一个或者多个指定字段的值
HGETALL key 获取指定哈希表中所有的键值对
HEXISTS key field 查看指定哈希表中指定的字段是否存在
HDEL key field1 field2 ... 删除一个或多个哈希表字段
HLEN key 获取指定哈希表中字段的数量
HINCRBY key field increment 对指定哈希中的指定字段做运算操作(正数为加,负数为减)

模拟对象数据存储

> HMSET userInfoKey name "guide" description "dev" age 24
OK
> HEXISTS userInfoKey name # 查看 key 对应的 value中指定的字段是否存在。
(integer) 1
> HGET userInfoKey name # 获取存储在哈希表中指定字段的值。
"guide"
> HGET userInfoKey age
"24"
> HGETALL userInfoKey # 获取在哈希表中指定 key 的所有字段和值
1) "name"
2) "guide"
3) "description"
4) "dev"
5) "age"
6) "24"
> HSET userInfoKey name "GuideGeGe"
> HGET userInfoKey name
"GuideGeGe"
> HINCRBY userInfoKey age 2
(integer) 26

应用场景

对象数据存储场景

  • 举例 :用户信息、商品信息、文章信息、购物车信息。
  • 相关命令 :HSET (设置单个字段的值)、HMSET(设置多个字段的值)、HGET(获取单个字段的值)、HMGET(获取多个字段的值)。

Set(集合)

介绍

​ Redis 中的 Set 类型是一种无序集合,集合中的元素没有先后顺序但都唯一,有点类似于 Java 中的 HashSet 。当你需要存储一个列表数据,又不希望出现重复数据时,Set 是一个很好的选择,并且 Set 提供了判断某个元素是否在一个 Set 集合内的重要接口,这个也是 List 所不能提供的

​ 你可以基于 Set 轻易实现交集、并集、差集的操作,比如你可以将一个用户所有的关注人存在一个集合中,将其所有粉丝存在一个集合。这样的话,Set 可以非常方便的实现如共同关注、共同粉丝、共同喜好等功能。这个过程也就是求交集的过程。

常用命令

命令 介绍
SADD key member1 member2 ... 向指定集合添加一个或多个元素
SMEMBERS key 获取指定集合中的所有元素
SCARD key 获取指定集合的元素数量
SISMEMBER key member 判断指定元素是否在指定集合中
SINTER key1 key2 ... 获取给定所有集合的交集
SINTERSTORE destination key1 key2 ... 将给定所有集合的交集存储在 destination 中
SUNION key1 key2 ... 获取给定所有集合的并集
SUNIONSTORE destination key1 key2 ... 将给定所有集合的并集存储在 destination 中
SDIFF key1 key2 ... 获取给定所有集合的差集
SDIFFSTORE destination key1 key2 ... 将给定所有集合的差集存储在 destination 中
SPOP key count 随机移除并获取指定集合中一个或多个元素
SRANDMEMBER key count 随机获取指定集合中指定数量的元素

基本操作

> SADD mySet value1 value2
(integer) 2
> SADD mySet value1 # 不允许有重复元素,因此添加失败
(integer) 0
> SMEMBERS mySet
1) "value1"
2) "value2"
> SCARD mySet
(integer) 2
> SISMEMBER mySet value1
(integer) 1
> SADD mySet2 value2 value3
(integer) 2
  • mySet : value1value2
  • mySet2value2value3

求交集

> SINTERSTORE mySet3 mySet mySet2
(integer) 1
> SMEMBERS mySet3
1) "value2"

求并集

> SUNION mySet mySet2
1) "value3"
2) "value2"
3) "value1"

求差集

> SDIFF mySet mySet2 # 差集是由所有属于 mySet 但不属于 A 的元素组成的集合
1) "value1"

应用场景

需要存放的数据不能重复的场景

  • 举例:需要存放的数据不能重复的场景
    • 举例:网站 UV 统计(UV(Unique Visitor):独立访客,以cookie为依据区分不同访客)(数据量巨大的场景还是 HyperLogLog更适合一些)、文章点赞、动态点赞等场景。
    • 相关命令:SCARD(获取集合数量) 。
  • (数据量巨大的场景还是 HyperLogLog更适合一些)、文章点赞、动态点赞等场景。
  • 相关命令:SCARD(获取集合数量) 。

需要获取多个数据源交集、并集和差集的场景

  • 举例 :共同好友(交集)、共同粉丝(交集)、共同关注(交集)、好友推荐(差集)、音乐推荐(差集) 、订阅号推荐(差集+交集) 等场景。
  • 相关命令:SINTER(交集)、SINTERSTORE (交集)、SUNION (并集)、SUNIONSTORE(并集)、SDIFF(差集)、SDIFFSTORE (差集)。

需要随机获取数据源中的元素的场景

  • 举例 :抽奖系统、随机。
  • 相关命令:SPOP(随机获取集合中的元素并移除,适合不允许重复中奖的场景)、SRANDMEMBER(随机获取集合中的元素,适合允许重复中奖的场景)。

Sorted Set(有序集合)

介绍

​ Sorted Set 类似于 Set,但和 Set 相比,Sorted Set 增加了一个权重参数 score,使得集合中的元素能够按 score 进行有序排列,还可以通过 score 的范围来获取元素的列表。有点像是 Java 中 HashMapTreeSet 的结合体。

常用命令

命令 介绍
ZADD key score1 member1 score2 member2 ... 向指定有序集合添加一个或多个元素
ZCARD KEY 获取指定有序集合的元素数量
ZSCORE key member 获取指定有序集合中指定元素的 score 值
ZINTERSTORE destination numkeys key1 key2 ... 将给定所有有序集合的交集存储在 destination 中,对相同元素对应的 score 值进行 SUM 聚合操作,numkeys 为集合数量
ZUNIONSTORE destination numkeys key1 key2 ... 求并集,其它和 ZINTERSTORE 类似
ZDIFF destination numkeys key1 key2 ... 求差集,其它和 ZINTERSTORE 类似
ZRANGE key start end 获取指定有序集合 start 和 end 之间的元素(score 从低到高)
ZREVRANGE key start end 获取指定有序集合 start 和 end 之间的元素(score 从高到底)
ZREVRANK key member 获取指定有序集合中指定元素的排名(score 从大到小排序)

基本操作

> ZADD myZset 2.0 value1 1.0 value2
(integer) 2
> ZCARD myZset
2
> ZSCORE myZset value1
2.0
> ZRANGE myZset 0 1
1) "value2"
2) "value1"
> ZREVRANGE myZset 0 1
1) "value1"
2) "value2"
> ZADD myZset2 4.0 value2 3.0 value3
(integer) 2
  • myZset : value1(2.0)、value2(1.0) 。
  • myZset2value2 (4.0)、value3(3.0) 。

获取指定元素的排名

> ZREVRANK myZset value1
0
> ZREVRANK myZset value2
1

求交集

> ZINTERSTORE myZset3 2 myZset myZset2
1
> ZRANGE myZset3 0 1 WITHSCORES
value2
5

求并集

> ZUNIONSTORE myZset4 2 myZset myZset2
3
> ZRANGE myZset4 0 2 WITHSCORES
value1
2
value3
3
value2
5

求差集

> ZDIFF 2 myZset myZset2 WITHSCORES
value1
2

应用场景

需要随机获取数据源中的元素根据某个权重进行排序的场景

  • 举例 :各种排行榜比如直播间送礼物的排行榜、朋友圈的微信步数排行榜、王者荣耀中的段位排行榜、话题热度排行榜等等。
  • 相关命令 :ZRANGE (从小到大排序) 、 ZREVRANGE (从大到小排序)、ZREVRANK (指定元素排名)。

Redis 3 种特殊数据结构详解

Bitmap

介绍

​ Bitmap 存储的是连续的二进制数字(0 和 1),通过 Bitmap, 只需要一个 bit 位来表示某个元素对应的值或者状态,key 就是对应元素本身 。我们知道 8 个 bit 可以组成一个 byte,所以 Bitmap 本身会极大的节省储存空间

​ 你可以将 Bitmap 看作是一个存储二进制数字(0 和 1)的数组,数组中每个元素的下标叫做 offset(偏移量)。

常用命令

命令 介绍
SETBIT key offset value 设置指定 offset 位置的值
GETBIT key offset 获取指定 offset 位置的值
BITCOUNT key start end 获取 start 和 end 之前值为 1 的元素个数
BITOP operation destkey key1 key2 ... 对一个或多个 Bitmap 进行运算,可用运算符有 AND, OR, XOR 以及 NOT

Bitmap 基本操作演示

# SETBIT 会返回之前位的值(默认是 0)这里会生成 7 个位
> SETBIT mykey 7 1
(integer) 0
> SETBIT mykey 7 0
(integer) 1
> GETBIT mykey 7
(integer) 0
> SETBIT mykey 6 1
(integer) 0
> SETBIT mykey 8 1
(integer) 0
# 通过 bitcount 统计被被设置为 1 的位的数量。
> BITCOUNT mykey
(integer) 2

应用场景

需要保存状态信息(0/1 即可表示)的场景

  • 举例 :用户签到情况、活跃用户情况、用户行为统计(比如是否点赞过某个视频)。
  • 相关命令 :SETBITGETBITBITCOUNTBITOP

HyperLogLog

介绍

​ HyperLogLog 是一种有名的基数计数概率算法 ,基于 LogLog Counting(LLC)优化改进得来,并不是 Redis 特有的,Redis 只是实现了这个算法并提供了一些开箱即用的 API。Redis 提供的 HyperLogLog 占用空间非常非常小,只需要 12k 的空间就能存储接近2^64个不同元素。这是真的厉害,这就是数学的魅力么!并且,Redis 对 HyperLogLog 的存储结构做了优化,采用两种方式计数:

  • 稀疏矩阵 :计数较少的时候,占用空间很小。
  • 稠密矩阵 :计数达到某个阈值的时候,占用 12k 的空间。

​ 基数计数概率算法为了节省内存并不会直接存储元数据,而是通过一定的概率统计方法预估基数值(集合中包含元素的个数)。因此, HyperLogLog 的计数结果并不是一个精确值,存在一定的误差(标准误差为 0.81% 。)

​ HyperLogLog 的使用非常简单,但原理非常复杂。HyperLogLog 的原理以及在 Redis 中的实现可以看这篇文章:[HyperLogLog 算法的原理讲解以及 Redis 是如何应用它的 。

​ 再推荐一个可以帮助理解 HyperLogLog 原理的工具:Sketch of the Day: HyperLogLog — Cornerstone of a Big Data Infrastructure 。

常用命令

​ HyperLogLog 相关的命令非常少,最常用的也就 3 个。

命令 介绍
PFADD key element1 element2 ... 添加一个或多个元素到 HyperLogLog 中
PFCOUNT key1 key2 获取一个或者多个 HyperLogLog 的唯一计数。
PFMERGE destkey sourcekey1 sourcekey2 ... 将多个 HyperLogLog 合并到 destkey 中,destkey 会结合多个源,算出对应的唯一计数。

HyperLogLog 基本操作演示

> PFADD hll foo bar zap
(integer) 1
> PFADD hll zap zap zap
(integer) 0
> PFADD hll foo bar
(integer) 0
> PFCOUNT hll
(integer) 3
> PFADD some-other-hll 1 2 3
(integer) 1
> PFCOUNT hll some-other-hll
(integer) 6
> PFMERGE desthll hll some-other-hll
"OK"
> PFCOUNT desthll
(integer) 6

应用场景

数量量巨大(百万、千万级别以上)的计数场景

  • 举例 :热门网站每日/每周/每月访问 ip 数统计、热门帖子 uv 统计、
  • 相关命令 :PFADDPFCOUNT

Geospatial index

介绍

​ Geospatial index(地理空间索引,简称 GEO) 主要用于存储地理位置信息,基于 Sorted Set 实现。通过 GEO 我们可以轻松实现两个位置距离的计算、获取指定位置附近的元素等功能。

常用命令

命令 介绍
GEOADD key longitude1 latitude1 member1 ... 添加一个或多个元素对应的经纬度信息到 GEO 中
GEOPOS key member1 member2 ... 返回给定元素的经纬度信息
GEODIST key member1 member2 M/KM/FT/MI 返回两个给定元素之间的距离
GEORADIUS key longitude latitude radius distance 获取指定位置附近 distance 范围内的其他元素,支持 ASC(由近到远)、DESC(由远到近)、Count(数量) 等参数
GEORADIUSBYMEMBER key member radius distance 类似于 GEORADIUS 命令,只是参照的中心点是 GEO 中的元素

基本操作

> GEOADD personLocation 116.33 39.89 user1 116.34 39.90 user2 116.35 39.88 user3
3
> GEOPOS personLocation user1
116.3299986720085144
39.89000061669732844
> GEODIST personLocation user1 user2 km
1.4018

​ 通过 Redis 可视化工具查看 personLocation ,果不其然,底层就是 Sorted Set。GEO 中存储的地理位置信息的经纬度数据通过 GeoHash 算法转换成了一个整数,这个整数作为 Sorted Set 的 score(权重参数)使用。

获取指定位置范围内的其他元素

> GEORADIUS personLocation 116.33 39.87 3 km
user3
user1
> GEORADIUS personLocation 116.33 39.87 2 km
> GEORADIUS personLocation 116.33 39.87 5 km
user3
user1
user2
> GEORADIUSBYMEMBER personLocation user1 5 km
user3
user1
user2
> GEORADIUSBYMEMBER personLocation user1 2 km
user1
user2

GEORADIUS 命令的底层原理解析可以看看阿里的这篇文章:Redis 到底是怎么实现“附近的人”这个功能的呢?

移除元素

​ GEO 底层是 Sorted Set ,你可以对 GEO 使用 Sorted Set 相关的命令。

> ZREM personLocation user1
1
> ZRANGE personLocation 0 -1
user3
user2
> ZSCORE personLocation user2
4069879562983946

应用场景

需要管理使用地理空间数据的场景

  • 举例:附近的人。
  • 相关命令: GEOADDGEORADIUSGEORADIUSBYMEMBER

Redis 内存碎片详解

什么是内存碎片?

​ 你可以将内存碎片简单地理解为那些不可用的空闲内存

​ 举个例子:操作系统为你分配了 32 字节的连续内存空间,而你存储数据实际只需要使用 24 字节内存空间,那这多余出来的 8 字节内存空间如果后续没办法再被分配存储其他数据的话,就可以被称为内存碎片。

​ Redis 内存碎片虽然不会影响 Redis 性能,但是会增加内存消耗。

为什么会有 Redis 内存碎片?

​ Redis 内存碎片产生比较常见的 2 个原因:

1、Redis 存储存储数据的时候向操作系统申请的内存空间可能会大于数据实际需要的存储空间。

​ Redis 使用 zmalloc 方法(Redis 自己实现的内存分配方法)进行内存分配的时候,除了要分配 size 大小的内存之外,还会多分配 PREFIX_SIZE 大小的内存。

zmalloc 方法源码如下(源码地址:https://github.com/antirez/redis-tools/blob/master/zmalloc.c):

void *zmalloc(size_t size) {
   // 分配指定大小的内存
   void *ptr = malloc(size+PREFIX_SIZE);//加上了PREFIX_SIZE
   if (!ptr) zmalloc_oom_handler(size);
#ifdef HAVE_MALLOC_SIZE
   update_zmalloc_stat_alloc(zmalloc_size(ptr));
   return ptr;
#else
   *((size_t*)ptr) = size;
   update_zmalloc_stat_alloc(size+PREFIX_SIZE);
   return (char*)ptr+PREFIX_SIZE;
#endif
}

​ 另外,Redis 可以使用多种内存分配器来分配内存( libc、jemalloc、tcmalloc),默认使用 jemalloc,而 jemalloc 按照一系列固定的大小(8 字节、16 字节、32 字节......)来分配内存的。jemalloc 划分的内存单元如下图所示:

​ 当程序申请的内存最接近某个固定值时,jemalloc 会给它分配相应大小的空间,就比如说程序需要申请 17 字节的内存,jemalloc 会直接给它分配 32 字节的内存,这样会导致有 15 字节内存的浪费。不过,jemalloc 专门针对内存碎片问题做了优化,一般不会存在过度碎片化的问题

2、频繁修改 Redis 中的数据也会产生内存碎片。

​ 当 Redis 中的某个数据删除时,Redis 通常不会轻易释放内存给操作系统。这个在 Redis 官方文档中也有对应的原话:

如何查看 Redis 内存碎片的信息?

​ 使用 info memory 命令即可查看 Redis 内存相关的信息。Redis 官方文档有详细的介绍:https://redis.io/commands/INFO 。

​ Redis 内存碎片率的计算公式:mem_fragmentation_ratio (内存碎片率)= used_memory_rss (操作系统实际分配给 Redis 的物理内存空间大小)/ used_memory(Redis 内存分配器为了存储数据实际申请使用的内存空间大小)

​ 也就是说,mem_fragmentation_ratio (内存碎片率)的值越大代表内存碎片率越严重。一定不要误认为used_memory_rss 减去 used_memory值就是内存碎片的大小!!!这不仅包括内存碎片,还包括其他进程开销,以及共享库、堆栈等的开销。

​ 很多小伙伴可能要问了:“多大的内存碎片率才是需要清理呢?”。

​ 通常情况下,我们认为 mem_fragmentation_ratio > 1.5 的话才需要清理内存碎片。 mem_fragmentation_ratio > 1.5 意味着你使用 Redis 存储实际大小 2G 的数据需要使用大于 3G 的内存。

​ 如果想要快速查看内存碎片率的话,你还可以通过下面这个命令:

redis-cli -p 6379 info | grep mem_fragmentation_ratio

​ 另外,内存碎片率可能存在小于 1 的情况。这种情况我在日常使用中还没有遇到过,感兴趣的小伙伴可以看看这篇文章 故障分析 | Redis 内存碎片率太低该怎么办?- 爱可生开源社区

如何清理 Redis 内存碎片?

​ Redis4.0-RC3 版本以后自带内存整理,可以避免内存碎片率过大的问题。直接通过 config set 命令将 activedefrag 配置项设置为 yes 即可。

config set activedefrag yes

​ 具体什么时候清理需要通过下面两个参数控制:

# 内存碎片占用空间达到 500mb 的时候开始清理
config set active-defrag-ignore-bytes 500mb
# 内存碎片率大于 1.5 的时候开始清理
config set active-defrag-threshold-lower 50

​ 通过 Redis 自动内存碎片清理机制可能会对 Redis 的性能产生影响,我们可以通过下面两个参数来减少对 Redis 性能的影响:

# 内存碎片清理所占用 CPU 时间的比例不低于 20%
config set active-defrag-cycle-min 20
# 内存碎片清理所占用 CPU 时间的比例不高于 50%
config set active-defrag-cycle-max 50

​ 另外,重启节点可以做到内存碎片重新整理。如果你采用的是高可用架构的 Redis 集群的话,你可以将碎片率过高的主节点转换为从节点,以便进行安全重启。

参考

  • 20 | 删除数据后,为什么内存占用率还是很高? (geekbang.org)
  • Redis源码解析——内存分配 - shinerio's blog