Redis緩存那點破事 | 絕殺面試官 25 問！

為了便于大家查找問題，了解全貌，整理個目錄，我們可以快速全局了解關(guān)于Redis 緩存，面試官一般喜歡問哪些問題？

接下來，我們逐條來看看每個問題及答案

Redis 有哪些特性？

答案：

• 性能高， 讀的速度是100000次/s，寫的速度是80000次/s
• 數(shù)據(jù)持久化，支持RDB 、AOF
• 支持事務(wù)。通過MULTI和EXEC指令包起來。
• 多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型
• 主從復(fù)制
• 其他特性：發(fā)布/訂閱、通知、key過期等

Redis 為什么這么快？

答案：

• 完全基于內(nèi)存，沒有磁盤IO上的開銷，異步持久化除外
• 單線程，避免多個線程切換的性能損耗
• 非阻塞的IO多路復(fù)用機(jī)制
• 底層的數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使用原生的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)提升性能。

Redis 底層的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有哪些？

答案：

• 字符串。沒有采用C語言的傳統(tǒng)字符串，而是自己實現(xiàn)的一個簡單動態(tài)字符串SDS的抽象類型，并保存了長度信息。
• 鏈表（linkedlist）。雙向無環(huán)鏈表結(jié)構(gòu)，每個鏈表的節(jié)點由一個listNode結(jié)構(gòu)來表示，每個節(jié)點都有前置和后置節(jié)點的指針
• 字典（hashtable）。保存鍵值對的抽象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，底層使用hash表，每個字典帶有兩個hash表，供平時使用和rehash時使用。
• 跳躍表（skiplist）。跳躍表是有序集合的底層實現(xiàn)之一。redis跳躍表由zskiplist和zskiplistNode組成，zskiplist用于保存跳躍表 信息(表頭、表尾節(jié)點、?度等)，zskiplistNode用于表示表跳躍節(jié)點，每個跳躍表的層高都是1- 32的隨機(jī)數(shù)，在同一個跳躍表中，多個節(jié)點可以包含相同的分值，但是每個節(jié)點的成員對象必須是唯一的，節(jié)點按照分值大小排序，如果分值相同，則按照成員對象的大小排序。
• 整數(shù)集合（intset）。用于保存整數(shù)值的集合抽象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，不會出現(xiàn)重復(fù)元素，底層實現(xiàn)為數(shù)組。
• 壓縮列表（ziplist）。為節(jié)約內(nèi)存而開發(fā)的順序性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以包含多個節(jié)點，每個節(jié)點可以保存一個字節(jié)數(shù)組或者整數(shù)值。

Redis 支持哪些數(shù)據(jù)類型？

答案：五種常用數(shù)據(jù)類型：String、Hash、Set、List、SortedSet。三種特殊的數(shù)據(jù)類型：Bitmap、HyperLogLog、Geospatial，其中Bitmap 、HyperLogLog的底層都是 String 數(shù)據(jù)類型，Geospatial 底層是 Sorted Set 數(shù)據(jù)類型。

• 字符串對象string：int整數(shù)、embstr編碼的簡單動態(tài)字符串、raw簡單動態(tài)字符串
• 列表對象list：ziplist、linkedlist
• 哈希對象hash：ziplist、hashtable
• 集合對象set：intset、hashtable
• 有序集合對象zset：ziplist、skiplist

Redis 常用的 5 種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和應(yīng)用場景？

答案：

• String：緩存、計數(shù)器、分布式鎖等
• List：鏈表、隊列、微博關(guān)注人時間軸列表等
• Hash：用戶信息、Hash 表等
• Set：去重、贊、踩、共同好友等
• Zset：訪問量排行榜、點擊量排行榜等

為什么采用單線程？

答案：官方回復(fù)，CPU不會成為Redis的制約瓶頸，Redis主要受內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)限制。例如，在一個普通的 Linux 系統(tǒng)上，使用pipelining 可以每秒傳遞 100 萬個請求，所以如果您的應(yīng)用程序主要使用 O(N) 或 O(log(N)) 命令，則幾乎不會使用太多 CPU，屬于IO密集型系統(tǒng)。

Redis 6.0 之后又改用多線程呢?

答案：Redis的多線程主要是處理數(shù)據(jù)的讀寫、協(xié)議解析。執(zhí)行命令還是采用單線程順序執(zhí)行。

主要是因為redis的性能瓶頸在于網(wǎng)絡(luò)IO而非CPU，使用多線程進(jìn)行一些周邊預(yù)處理，提升了IO的讀寫效率，從而提高了整體的吞吐量。antirez 在 RedisConf 2019 分享時提到，Redis 6 引入的多線程 IO 對性能提升至少一倍以上。

過期鍵Key 的刪除策略有哪些？

答案：有3種過期刪除策略。惰性刪除、定期刪除、定時刪除

• 惰性刪除。使用key時才進(jìn)行檢查，如果已經(jīng)過期，則刪除。缺點：過期的key如果沒有被訪問到，一直無法刪除，一直占用內(nèi)存，造成空間浪費(fèi)。
• 定期刪除。每隔一段時間做一次檢查，刪除過期的key，每次只是隨機(jī)取一些key去檢查。
• 定時刪除。為每個key設(shè)置過期時間，同時創(chuàng)建一個定時器。一旦到期，立即執(zhí)行刪除。缺點：如果過期鍵比較多時，占用CPU較多，對服務(wù)的性能有很大影響。

如果Redis的內(nèi)存空間不足，淘汰機(jī)制？

答案：

• volatile-lru：從已設(shè)置過期時間的key中，移出最近最少使用的key進(jìn)行淘汰
• allkeys-lru：當(dāng)內(nèi)存不足以容納新寫入數(shù)據(jù)時，在鍵空間中，移除最近最少使用的key（這個是最常用的）
• volatile-ttl：從已設(shè)置過期時間的key中，移出將要過期的key
• volatile-random：從已設(shè)置過期時間的key中，隨機(jī)選擇key淘汰
• allkeys-random：從key中隨機(jī)選擇key進(jìn)行淘汰
• no-eviction：禁止淘汰數(shù)據(jù)。當(dāng)內(nèi)存達(dá)到閾值的時候，新寫入操作報錯
• volatile-lfu：從已設(shè)置過期時間的數(shù)據(jù)集(server.db[i].expires)中挑選最不經(jīng)常使用的數(shù)據(jù)淘汰(LFU(Least Frequently Used)算法，也就是最頻繁被訪問的數(shù)據(jù)將來最有可能被訪問到)
• allkeys-lfu：當(dāng)內(nèi)存不足以容納新寫入數(shù)據(jù)時，在鍵空間中，移除最不經(jīng)常使用的key。

Redis 突然掛了怎么解決？

答案：1、從系統(tǒng)可用性角度思考，Redis Cluster引入主備機(jī)制，當(dāng)主節(jié)點掛了后，自動切換到備用節(jié)點，繼續(xù)提供服務(wù)。2、Client端引入本地緩存，通過開關(guān)切換，避免Redis突然掛掉，高并發(fā)流量把數(shù)據(jù)庫打掛。

Redis 持久化有哪些方式？

答案：

1、快照RDB。將某個時間點上的數(shù)據(jù)庫狀態(tài)保存到RDB文件中，RDB文件是一個壓縮的二進(jìn)制文件，保存在磁盤上。當(dāng)Redis崩潰時，可用于恢復(fù)數(shù)據(jù)。通過SAVE或BGSAVE來生成RDB文件。

• SAVE：會阻塞redis進(jìn)程，直到RDB文件創(chuàng)建完畢，在進(jìn)程阻塞期間，redis不能處理任何命令請求。
• BGSAVE：會fork出一個子進(jìn)程，然后由子進(jìn)程去負(fù)責(zé)生成RDB文件，父進(jìn)程還可以繼續(xù)處理命令請求，不會阻塞進(jìn)程。

2、只追加文件AOF。以日志的形式記錄每個寫操作（非讀操作）。當(dāng)不同節(jié)點同步數(shù)據(jù)時，讀取日志文件的內(nèi)容將寫指令從前到后執(zhí)行一次，即可完成數(shù)據(jù)恢復(fù)。

Redis 常用場景

答案：

• 1、緩存，有句話說的好，「性能不夠，緩存來湊」
• 2、分布式鎖，利用Redis 的 setnx
• 3、分布式session
• 4、計數(shù)器，通過incr命令
• 5、排行榜，Redis 的 有序集合
• 6、其他

Redis 緩存要注意的七大經(jīng)典問題？

答案：列舉了億級系統(tǒng)，高訪問量情況下Redis緩存可能會遇到哪些問題？以及對應(yīng)的解決方案。

• 1、緩存集中失效
• 2、緩存穿透
• 3、緩存雪崩
• 4、緩存熱點
• 5、緩存大Key
• 6、緩存數(shù)據(jù)的一致性
• 7、數(shù)據(jù)并發(fā)競爭預(yù)熱

Redis 集群方案有哪幾種？

答案：

• 主從復(fù)制模式
• Sentinel（哨兵）模式
• Redis Cluster模式

Redis 主從數(shù)據(jù)同步（主從復(fù)制）的過程？

答案：

• 1、slave啟動后，向master發(fā)送sync命令
• 2、master收到sync之后，執(zhí)行bgsave保存快照，生成RDB全量文件
• 3、master把slave的寫命令記錄到緩存
• 4、bgsave執(zhí)行完畢之后，發(fā)送RDB文件到slave，slave執(zhí)行
• 5、master發(fā)送緩沖區(qū)的寫命令給slave，slave接收命令并執(zhí)行，完成復(fù)制初始化。
• 6、此后，master每次執(zhí)行一個寫命令都會同步發(fā)送給slave，保持master與slave之間數(shù)據(jù)的一致性

主從復(fù)制的優(yōu)缺點？

答案：

1、優(yōu)點：

• master能自動將數(shù)據(jù)同步到slave，可以進(jìn)行讀寫分離，分擔(dān)master的讀壓力
• master、slave之間的同步是以非阻塞的方式進(jìn)行的，同步期間，客戶端仍然可以提交查詢或更新請求

缺點：

• 不具備自動容錯與恢復(fù)功能，master 節(jié)點宕機(jī)后，需要手動指定新的 master
• master宕機(jī)，如果宕機(jī)前數(shù)據(jù)沒有同步完，則切換IP后會存在數(shù)據(jù)不一致的問題
• 難以支持在線擴(kuò)容，Redis的容量受限于單機(jī)配置

Sentinel（哨兵）模式的優(yōu)缺點？

答案：哨兵模式基于主從復(fù)制模式，增加了哨兵來監(jiān)控與自動處理故障。

1、優(yōu)點：

• 哨兵模式基于主從復(fù)制模式，所以主從復(fù)制模式有的優(yōu)點，哨兵模式也有
• master 掛掉可以自動進(jìn)行切換，系統(tǒng)可用性更高

2、缺點：

• Redis的容量受限于單機(jī)配置
• 需要額外的資源來啟動sentinel進(jìn)程

Redis Cluster 模式的優(yōu)缺點？

答案：實現(xiàn)了Redis的分布式存儲，即每臺節(jié)點存儲不同的內(nèi)容，來解決在線擴(kuò)容的問題。

1、優(yōu)點：

• 無中心架構(gòu)，數(shù)據(jù)按照slot分布在多個節(jié)點
• 集群中的每個節(jié)點都是平等的，每個節(jié)點都保存各自的數(shù)據(jù)和整個集群的狀態(tài)。每個節(jié)點都和其他所有節(jié)點連接，而且這些連接保持活躍，這樣就保證了我們只需要連接集群中的任意一個節(jié)點，就可以獲取到其他節(jié)點的數(shù)據(jù)。
• 可線性擴(kuò)展到1000多個節(jié)點，節(jié)點可動態(tài)添加或刪除
• 能夠?qū)崿F(xiàn)自動故障轉(zhuǎn)移，節(jié)點之間通過gossip協(xié)議交換狀態(tài)信息，用投票機(jī)制完成slave到master的角色轉(zhuǎn)換

缺點：

• 數(shù)據(jù)通過異步復(fù)制，不保證數(shù)據(jù)的強(qiáng)一致性
• slave充當(dāng) “冷備”，不對外提供讀、寫服務(wù)，只作為故障轉(zhuǎn)移使用。
• 批量操作限制，目前只支持具有相同slot值的key執(zhí)行批量操作，對mset、mget、sunion等操作支持不友好
• key事務(wù)操作支持有限，只支持多key在同一節(jié)點的事務(wù)操作，多key分布在不同節(jié)點時無法使用事務(wù)功能
• 不支持多數(shù)據(jù)庫空間，一臺redis可以支持16個db，集群模式下只能使用一個，即db 0。Redis Cluster模式不建議使用pipeline和multi-keys操作，減少max redirect產(chǎn)生的場景。

Redis 如何做擴(kuò)容？

答案：為了避免數(shù)據(jù)遷移失效，通常使用一致性哈希實現(xiàn)動態(tài)擴(kuò)容縮容，有效減少需要遷移的Key數(shù)量。

但是Cluster 模式，采用固定Slot槽位方式（16384個），對每個key計算CRC16值，然后對16384取模，然后根據(jù)slot值找到目標(biāo)機(jī)器，擴(kuò)容時，我們只需要遷移一部分的slot到新節(jié)點即可。

Redis 的集群原理?

答案：一個redis集群由多個節(jié)點node組成，而多個node之間通過cluster meet命令來進(jìn)行連接，組成一個集群。

數(shù)據(jù)存儲通過分片的形式，整個集群分成了16384個slot，每個節(jié)點負(fù)責(zé)一部分槽位。整個槽位的信息會同步到所有節(jié)點中。

key與slot的映射關(guān)系：

• 健值對 key，進(jìn)行 CRC16 計算，計算出一個 16 bit 的值
• 將 16 bit 的值對 16384 取模，得到 0 ～ 16383 的數(shù)表示 key 對應(yīng)的哈希槽

Redis 如何做到高可用？

答案：哨兵機(jī)制。具有自動故障轉(zhuǎn)移、集群監(jiān)控、消息通知等功能。

哨兵可以同時監(jiān)視所有的主、從服務(wù)器，當(dāng)某個master下線時，自動提升對應(yīng)的slave為master，然后由新master對外提供服務(wù)。

什么是 Redis 事務(wù)？

答案：Redis事務(wù)是一組命令的集合，將多個命令打包，然后把這些命令按順序添加到隊列中，并且按順序執(zhí)行這些命令。

Redis事務(wù)中沒有像Mysql關(guān)系型數(shù)據(jù)庫事務(wù)隔離級別的概念，不能保證原子性操作，也沒有像Mysql那樣執(zhí)行事務(wù)失敗會進(jìn)行回滾操作

Redis 事務(wù)執(zhí)行流程？

答案：通過MULTI、EXEC、WATCH等命令來實現(xiàn)事務(wù)機(jī)制，事務(wù)執(zhí)行過程將一系列多個命令按照順序一次性執(zhí)行，在執(zhí)行期間，事務(wù)不會被中斷，也不會去執(zhí)行客戶端的其他請求，直到所有命令執(zhí)行完畢。

具體過程：

• 服務(wù)端收到客戶端請求，事務(wù)以MULTI開始
• 如果正處于事務(wù)狀態(tài)時，則會把后續(xù)命令放入隊列同時返回給客戶端QUEUED，反之則直接執(zhí)行這 個命令
• 當(dāng)收到客戶端的EXEC命令時，才會將隊列里的命令取出、順序執(zhí)行，執(zhí)行完將當(dāng)前狀態(tài)從事務(wù)狀態(tài)改為非事務(wù)狀態(tài)
• 如果收到 DISCARD 命令，放棄執(zhí)行隊列中的命令，可以理解為Mysql的回滾操作，并且將當(dāng)前的狀態(tài)從事務(wù)狀態(tài)改為非事務(wù)狀態(tài)

WATCH 監(jiān)視某個key，該命令只能在MULTI命令之前執(zhí)行。如果監(jiān)視的key被其他客戶端修改，EXEC將會放棄執(zhí)行隊列中的所有命令。UNWATCH 取消監(jiān)視之前通過WATCH 命令監(jiān)視的key。通過執(zhí)行EXEC 、DISCARD 兩個命令之前監(jiān)視的key也會被取消監(jiān)視。

Redis 與 Guava 、Caffeine 有什么區(qū)別？

答案：緩存分為本地緩存和分布式緩存。

1、Caffeine、Guava，屬于本地緩存，特點：

• 直接訪問內(nèi)存，速度快，受內(nèi)存限制，無法進(jìn)行大數(shù)據(jù)存儲。
• 無網(wǎng)絡(luò)通訊開銷，性能更高。
• 只支持本地應(yīng)用進(jìn)程訪問，同步更新所有節(jié)點的本地緩存數(shù)據(jù)成本較高。
• 應(yīng)用進(jìn)程重啟，數(shù)據(jù)會丟失。

所以，本地緩存適合存儲一些不易改變或者低頻改變的高熱點數(shù)據(jù)。

2、Redis屬于分布式緩存，特點：

• 集群模式，支持大數(shù)據(jù)量存儲
• 數(shù)據(jù)集中存儲，保證數(shù)據(jù)的一致性
• 數(shù)據(jù)跨網(wǎng)絡(luò)傳輸，性能低于本地緩存。但同一個機(jī)房，兩臺服務(wù)器之間請求跑一個來回也就需要500微秒，比起其優(yōu)勢，這點損耗完全可以忽略，這也是分布式緩存受歡迎的原因。
• 支持副本機(jī)制，有效的保證了高可用性。

如何實現(xiàn)一個分布式鎖？

答案：

• 1、數(shù)據(jù)庫表，性能比較差
• 2、使用Lua腳本 (包含 SETNX + EXPIRE 兩條指令)
• 3、SET的擴(kuò)展命令（SET key value [EX][PX] [NX|XX]）
• 4、Redlock 框架
• 5、Zookeeper Curator框架提供了現(xiàn)成的分布式鎖