面試被吊打 - Redis原理

小張興沖沖去面試，結(jié)果被面試官吊打！

小張：

面試官，你好。我是來參加面試的。

面試官：

你好，小張。我看了你的簡歷，熟練掌握Redis，那么我就隨便問你幾個Redis相關(guān)的問題吧。首先我的問題是，Redis是單線程還是多線程呢？

小張：

Redis不同版本之間采用的線程模型是不一樣的，在Redis4.0版本之前使用的是單線程模型，在4.0版本之后增加了多線程的支持。

在4.0之前雖然我們說Redis是單線程，也只是說它的網(wǎng)絡(luò)I/O線程以及Set 和 Get操作是由一個線程完成的。但是Redis的持久化、集群同步還是使用其他線程來完成。

4.0之后添加了多線程的支持，主要是體現(xiàn)在大數(shù)據(jù)的異步刪除功能上，例如 unlink key、flushdb async、flushall async 等

面試官：

回答的很好，那為什么Redis在4.0之前會選擇使用單線程？而且使用單線程還那么快？

小張：

選擇單線程個人覺得主要是使用簡單，不存在鎖競爭，可以在無鎖的情況下完成所有操作，不存在死鎖和線程切換帶來的性能和時間上的開銷，但同時單線程也不能完全發(fā)揮出多核CPU的性能。

至于為什么單線程那么快我覺得主要有以下幾個原因：

1. Redis 的大部分操作都在內(nèi)存中完成，內(nèi)存中的執(zhí)行效率本身就很快，并且采用了高效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，比如哈希表和跳表。
2. 使用單線程避免了多線程的競爭，省去了多線程切換帶來的時間和性能開銷，并且不會出現(xiàn)死鎖。
3. 采用 I/O 多路復(fù)用機制處理大量客戶端的Socket請求，因為這是基于非阻塞的 I/O 模型，這就讓Redis可以高效地進行網(wǎng)絡(luò)通信，I/O的讀寫流程也不再阻塞。

面試官：

不錯，那Redis是如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)不丟失的呢？

小張：

Redis數(shù)據(jù)是存儲在內(nèi)存中的，為了保證Redis數(shù)據(jù)不丟失，那就要把數(shù)據(jù)從內(nèi)存存儲到磁盤上，以便在服務(wù)器重啟后還能夠從磁盤中恢復(fù)原有數(shù)據(jù)，這就是Redis的數(shù)據(jù)持久化。Redis數(shù)據(jù)持久化有三種方式。

• AOF 日志（Append Only File，文件追加方式）：記錄所有的操作命令，并以文本的形式追加到文件中。
• RDB 快照（Redis DataBase）：將某一個時刻的內(nèi)存數(shù)據(jù)，以二進制的方式寫入磁盤。
• 混合持久化方式：Redis 4.0 新增了混合持久化的方式，集成了 RDB 和 AOF 的優(yōu)點。

面試官：

那你分別說說 AOF和 RDB的實現(xiàn)原理吧。

小張：

AOF采用的是寫后日志的方式，Redis先執(zhí)行命令把數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存，然后再記錄日志到文件中。AOF日志記錄的是操作命令，不是實際的數(shù)據(jù)，如果采用AOF方法做故障恢復(fù)時需要將全量日志都執(zhí)行一遍。

RDB采用的是內(nèi)存快照的方式，它記錄的是某一時刻的數(shù)據(jù)，而不是操作，所以采用RDB方法做故障恢復(fù)時只需要直接把RDB文件讀入內(nèi)存即可，實現(xiàn)快速恢復(fù)。

面試官：

你剛提到了AOF采用的是 “寫后日志” 的方式，我們平時用的MySQL則采用的是 “寫前日志”，那 Redis為什么要先執(zhí)行命令，再把數(shù)據(jù)寫入日志呢？

小張：額頭開始冒汗，問的是些啥問題呀。。。

額，這個主要是由于Redis在寫入日志之前，不對命令進行語法檢查，所以只記錄執(zhí)行成功的命令，避免出現(xiàn)記錄錯誤命令的情況，而且在命令執(zhí)行后再寫日志不會阻塞當(dāng)前的寫操作。

面試官：

那 后寫日志又有什么風(fēng)險呢？

小張：

我... 這個我不會。

面試官：

好吧，后寫日志主要有兩個風(fēng)險可能會發(fā)生：

• 數(shù)據(jù)可能會丟失：如果 Redis 剛執(zhí)行完命令，此時發(fā)生故障宕機，會導(dǎo)致這條命令存在丟失的風(fēng)險。
• 可能阻塞其他操作：AOF 日志其實也是在主線程中執(zhí)行，所以當(dāng) Redis 把日志文件寫入磁盤的時候，還是會阻塞后續(xù)的操作無法執(zhí)行。

我還有個問題是 RDB做快照時會阻塞線程嗎？

小張：

Redis 提供了兩個命令來生成 RDB 快照文件，分別是 save 和 bgsave。save 命令在主線程中執(zhí)行，會導(dǎo)致阻塞。而 bgsave 命令則會創(chuàng)建一個子進程，用于寫入 RDB 文件的操作，避免了對主線程的阻塞，這也是 Redis RDB 的默認配置。

面試官：

RDB 做快照的時候數(shù)據(jù)能修改嗎？

小張：

save是同步的會阻塞客戶端命令，bgsave的時候是可以修改的。

面試官：

那Redis是怎么解決在bgsave做快照的時候允許數(shù)據(jù)修改呢？

小張：（你咋還問。。。我?不會?。。?/p>

額，這個我不太清楚...

面試官：

這里主要是利用 bgsave的子線程實現(xiàn)的，具體操作如下：

• 如果主線程執(zhí)行讀操作，則主線程和 bgsave 子進程互相不影響；
• 如果主線程執(zhí)行寫操作，則被修改的數(shù)據(jù)會復(fù)制一份副本，然后 bgsave子進程會把該副本數(shù)據(jù)寫入 RDB 文件，在這個過程中，主線程仍然可以直接修改原來的數(shù)據(jù)。

要注意，Redis 對 RDB 的執(zhí)行頻率非常重要，因為這會影響快照數(shù)據(jù)的完整性以及 Redis 的穩(wěn)定性，所以在 Redis 4.0 后，增加了 AOF 和 RDB 混合的數(shù)據(jù)持久化機制： 把數(shù)據(jù)以 RDB 的方式寫入文件，再將后續(xù)的操作命令以 AOF 的格式存入文件，既保證了 Redis 重啟速度，又降低數(shù)據(jù)丟失風(fēng)險。

小張：

學(xué)到了學(xué)到了。

面試官：

那你再跟我說說Redis如何實現(xiàn)高可用吧？

小張：

Redis實現(xiàn)高可用主要有三種方式：主從復(fù)制、哨兵模式，以及 Redis 集群。

主從復(fù)制

將從前的一臺 Redis 服務(wù)器，同步數(shù)據(jù)到多臺從 Redis 服務(wù)器上，即一主多從的模式，這個跟MySQL主從復(fù)制的原理一樣。

哨兵模式

使用 Redis 主從服務(wù)的時候，會有一個問題，就是當(dāng) Redis 的主從服務(wù)器出現(xiàn)故障宕機時，需要手動進行恢復(fù)，為了解決這個問題，Redis 增加了哨兵模式（因為哨兵模式做到了可以監(jiān)控主從服務(wù)器，并且提供自動容災(zāi)恢復(fù)的功能）。

Redis Cluster（集群）

Redis Cluster 是一種分布式去中心化的運行模式，是在 Redis 3.0 版本中推出的 Redis 集群方案，它將數(shù)據(jù)分布在不同的服務(wù)器上，以此來降低系統(tǒng)對單主節(jié)點的依賴，從而提高 Redis 服務(wù)的讀寫性能。

面試官：

使用哨兵模式在數(shù)據(jù)上有副本數(shù)據(jù)做保證，在可用性上又有哨兵監(jiān)控，一旦master宕機會選舉salve節(jié)點為master節(jié)點，這種已經(jīng)滿足了我們的生產(chǎn)環(huán)境需要，那為什么還需要使用集群模式呢？

小張：

額，哨兵模式歸根節(jié)點還是主從模式，在主從模式下我們可以通過增加slave節(jié)點來擴展讀并發(fā)能力，但是沒辦法擴展寫能力和存儲能力，存儲能力只能是master節(jié)點能夠承載的上限。所以為了擴展寫能力和存儲能力，我們就需要引入集群模式。

面試官：

集群中那么多Master節(jié)點，redis cluster在存儲的時候如何確定選擇哪個節(jié)點呢？

小張：

這應(yīng)該是使用了某種hash算法，但是我不太清楚。。。

面試官：

那好，今天的面試就到這里吧，你先回去等我們的面試通知。

小張：

好的，謝謝面試官，你能告訴我redis cluster怎么實現(xiàn)節(jié)點選擇的嗎？

面試官：

Redis Cluster采用的是類一致性哈希算法實現(xiàn)節(jié)點選擇的，至于什么是一致性哈希算法你自己回去看看。

Redis Cluster將自己分成了16384個Slot（槽位），哈希槽類似于數(shù)據(jù)分區(qū)，每個鍵值對都會根據(jù)它的 key，被映射到一個哈希槽中，具體執(zhí)行過程分為兩大步。

• 根據(jù)鍵值對的 key，按照 CRC16 算法計算一個 16 bit 的值。
• 再用 16bit 值對 16384 取模，得到 0~16383 范圍內(nèi)的模數(shù)，每個模數(shù)代表一個相應(yīng)編號的哈希槽。

每個Redis節(jié)點負責(zé)處理一部分槽位，假如你有三個master節(jié)點 ABC，每個節(jié)點負責(zé)的槽位如下：

這樣就實現(xiàn)了cluster節(jié)點的選擇。

好了，各位看官朋友們，Redis原理的這些面試點你們記住了嗎？希望你們的面試不會被這個問題難倒喲~