《面試八股文》之 Redis 16卷

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大家好，我是 moon。

redis 作為我們最常用的內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，很多地方你都能夠發(fā)現(xiàn)它的身影，比如說登錄信息的存儲，分布式鎖的使用，其經(jīng)常被我們當做緩存去使用。

可是，用了這么久的reids，你懂它嗎？

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• 1.什么是 redis？它能做什么？

• 2.redis 有哪八種數(shù)據(jù)類型？有哪些應(yīng)用場景？

• 3.redis為什么這么快？

• 4.聽說 redis 6.0之后又使用了多線程，不會有線程安全的問題嗎？

• 5.redis 的持久化機制有哪些？優(yōu)缺點說說

• 6. Redis的過期鍵的刪除策略有哪些？

• 7. Redis的內(nèi)存滿了怎么辦？

• 8.Redis 的熱 key 問題怎么解決？

• 9.緩存擊穿、緩存穿透、緩存雪崩是什么？怎么解決呢？

• 10.Redis 有哪些部署方式？

• 11.哨兵有哪些作用？

• 12.哨兵選舉過程是怎么樣的？

• 13.cluster集群模式是怎么存放數(shù)據(jù)的？

• 14.cluster的故障恢復(fù)是怎么做的？

• 15.主從同步原理是怎樣的？

• 16.無硬盤復(fù)制是什么？

1.什么是 redis？它能做什么？

redis: redis 即 Remote Dictionary Server，用中文翻譯過來可以理解為遠程數(shù)據(jù)服務(wù)或遠程字典服務(wù)。其是使用 C 語言的編寫的key-value存儲系統(tǒng)

應(yīng)用場景:緩存，數(shù)據(jù)庫，消息隊列，分布式鎖，點贊列表，排行榜等等

2.redis 有哪八種數(shù)據(jù)類型？有哪些應(yīng)用場景？

redis 總共有八種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，五種基本數(shù)據(jù)類型和三種特殊數(shù)據(jù)類型。

五種基本數(shù)據(jù)類型:

• 1.string:字符串類型，常被用來存儲計數(shù)器，粉絲數(shù)等，簡單的分布式鎖也會用到該類型
• 2.hashmap:key - value 形式的，value 是一個map
• 3.list:基本的數(shù)據(jù)類型，列表。在 Redis 中可以把 list 用作棧、隊列、阻塞隊列。
• 4.set:集合，不能有重復(fù)元素，可以做點贊，收藏等
• 5.zset:有序集合，不能有重復(fù)元素，有序集合中的每個元素都需要指定一個分數(shù)，根據(jù)分數(shù)對元素進行升序排序。可以做排行榜三種特殊數(shù)據(jù)類型:
• 1.geospatial: Redis 在 3.2 推出 Geo 類型，該功能可以推算出地理位置信息，兩地之間的距離。
• 2.hyperloglog:基數(shù)：數(shù)學(xué)上集合的元素個數(shù)，是不能重復(fù)的。這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)常用于統(tǒng)計網(wǎng)站的 UV。
• 3.bitmap: bitmap 就是通過最小的單位 bit 來進行0或者1的設(shè)置，表示某個元素對應(yīng)的值或者狀態(tài)。一個 bit 的值，或者是0，或者是1；也就是說一個 bit 能存儲的最多信息是2。bitmap 常用于統(tǒng)計用戶信息比如活躍粉絲和不活躍粉絲、登錄和未登錄、是否打卡等。

3.redis為什么這么快？

官方數(shù)據(jù) redis 可以做到每秒近10w的并發(fā)，這么快的原因主要總結(jié)為以下幾點：

• 1:完全基于內(nèi)存操作
• 2:使用單線程模型來處理客戶端的請求，避免了上下文的切換
• 3:IO 多路復(fù)用機制
• 4:自身使用 C 語言編寫，有很多優(yōu)化機制，比如動態(tài)字符串 sds

4.聽說 redis 6.0之后又使用了多線程，不會有線程安全的問題嗎？

不會

其實 redis 還是使用單線程模型來處理客戶端的請求，只是使用多線程來處理數(shù)據(jù)的讀寫和協(xié)議解析，執(zhí)行命令還是使用單線程，所以是不會有線程安全的問題。

之所以加入了多線程因為 redis 的性能瓶頸在于網(wǎng)絡(luò)IO而非CPU，使用多線程能提升IO讀寫的效率，從而整體提高redis的性能。

5.redis 的持久化機制有哪些？優(yōu)缺點說說

redis 有兩種持久化的方式，AOF 和 RDB.

AOF:

• redis 每次執(zhí)行一個命令時,都會把這個「命令原本的語句記錄到一個.aod的文件當中,然后通過fsync策略,將命令執(zhí)行后的數(shù)據(jù)持久化到磁盤中」(不包括讀命令)，

AOF的優(yōu)缺點

• AOF 的「優(yōu)點」:
• 1.AOF可以「更好的保護數(shù)據(jù)不丟失」，一般AOF會以每隔1秒，通過后臺的一個線程去執(zhí)行一次fsync操作，如果redis進程掛掉，最多丟失1秒的數(shù)據(jù)
• 2.AOF是將命令直接追加在文件末尾的,「寫入性能非常高」
• 3.AOF日志文件的命令通過非常可讀的方式進行記錄，這個非常「適合做災(zāi)難性的誤刪除緊急恢復(fù)」，如果某人不小心用 flushall 命令清空了所有數(shù)據(jù)，只要這個時候還沒有執(zhí)行 rewrite，那么就可以將日志文件中的 flushall 刪除，進行恢復(fù)

• AOF 的「缺點」:
• 1.對于同一份數(shù)據(jù)源來說,一般情況下AOF 文件比 RDB 數(shù)據(jù)快照要大
• 2.由于 .aof 的每次命令都會寫入,那么相對于 RDB 來說「需要消耗的性能也就更多」，當然也會有 aof 重寫將 aof 文件優(yōu)化。
• 3.「數(shù)據(jù)恢復(fù)比較慢」，不適合做冷備。

RDB:

• 把某個時間點 redis 內(nèi)存中的數(shù)據(jù)以二進制的形式存儲的一個.rdb為后綴的文件當中,也就是「周期性的備份redis中的整個數(shù)據(jù)」,這是redis默認的持久化方式,也就是我們說的快照(snapshot)，是采用 fork 子進程的方式來寫時同步的。

RDB的優(yōu)缺點

• RDB的優(yōu)點:

• 1.它是將某一時間點redis內(nèi)的所有數(shù)據(jù)保存下來,所以當我們做「大型的數(shù)據(jù)恢復(fù)時,RDB的恢復(fù)速度會很快」

• 2.由于RDB的FROK子進程這種機制,隊友給客戶端提供讀寫服務(wù)的影響會非常小

• RDB的缺點:
• 舉個例子假設(shè)我們定時5分鐘備份一次,在10:00的時候 redis 備份了數(shù)據(jù),但是如果在10:04的時候服務(wù)掛了,那么我們就會丟失在10:00到10:04的整個數(shù)據(jù)
• 1:「有可能會產(chǎn)生長時間的數(shù)據(jù)丟失」
• 2:可能會有長時間停頓:我們前面講了,fork 子進程這個過程是和 redis 的數(shù)據(jù)量有很大關(guān)系的,如果「數(shù)據(jù)量很大,那么很有可能會使redis暫停幾秒」

6. Redis的過期鍵的刪除策略有哪些？

過期策略通常有以下三種：

• 定時過期：每個設(shè)置過期時間的key都需要創(chuàng)建一個定時器，到過期時間就會立即清除。該策略可以立即清除過期的數(shù)據(jù)，對內(nèi)存很友好；但是會占用大量的CPU資源去處理過期的數(shù)據(jù)，從而影響緩存的響應(yīng)時間和吞吐量。
• 惰性過期：只有當訪問一個key時，才會判斷該key是否已過期，過期則清除。該策略可以最大化地節(jié)省CPU資源，卻對內(nèi)存非常不友好。極端情況可能出現(xiàn)大量的過期key沒有再次被訪問，從而不會被清除，占用大量內(nèi)存。
• 定期過期：每隔一定的時間，會掃描一定數(shù)量的數(shù)據(jù)庫的expires字典中一定數(shù)量的key，并清除其中已過期的key。該策略是前兩者的一個折中方案。通過調(diào)整定時掃描的時間間隔和每次掃描的限定耗時，可以在不同情況下使得CPU和內(nèi)存資源達到最優(yōu)的平衡效果。

7. Redis的內(nèi)存滿了怎么辦？

實際上Redis定義了「8種內(nèi)存淘汰策略」用來處理redis內(nèi)存滿的情況：

• 1.noeviction：直接返回錯誤，不淘汰任何已經(jīng)存在的redis鍵
• 2.allkeys-lru：所有的鍵使用lru算法進行淘汰
• 3.volatile-lru：有過期時間的使用lru算法進行淘汰
• 4.allkeys-random：隨機刪除redis鍵
• 5.volatile-random：隨機刪除有過期時間的redis鍵
• 6.volatile-ttl：刪除快過期的redis鍵
• 7.volatile-lfu：根據(jù)lfu算法從有過期時間的鍵刪除
• 8.allkeys-lfu：根據(jù)lfu算法從所有鍵刪除

8.Redis 的熱 key 問題怎么解決？

熱 key  就是說，在某一時刻，有非常多的請求訪問某個 key，流量過大，導(dǎo)致該 redi 服務(wù)器宕機

解決方案:

• 可以將結(jié)果緩存到本地內(nèi)存中
• 將熱 key 分散到不同的服務(wù)器中
• 設(shè)置永不過期

9.緩存擊穿、緩存穿透、緩存雪崩是什么？怎么解決呢？

緩存穿透:

• 緩存穿透是指用戶請求的數(shù)據(jù)在緩存中不存在并且在數(shù)據(jù)庫中也不存在，導(dǎo)致用戶每次請求該數(shù)據(jù)都要去數(shù)據(jù)庫中查詢一遍，然后返回空。

解決方案:

• 布隆過濾器
• 返回空對象

緩存擊穿：

• 緩存擊穿，是指一個 key 非常熱點，在不停的扛著大并發(fā)，大并發(fā)集中對這一個點進行訪問，當這個 key 在失效的瞬間，持續(xù)的大并發(fā)就穿破緩存，直接請求數(shù)據(jù)庫，就像在一個屏障上鑿開了一個洞。

解決方案:

• 互斥鎖
• 永不過期

緩存雪崩：

• 緩存雪崩是指緩存中不同的數(shù)據(jù)大批量到過期時間，而查詢數(shù)據(jù)量巨大，請求直接落到數(shù)據(jù)庫上導(dǎo)致宕機。

解決方案:

• 均勻過期
• 加互斥鎖
• 緩存永不過期
• 雙層緩存策略

10.Redis 有哪些部署方式？

• 單機模式:這也是最基本的部署方式,只需要一臺機器,負責讀寫,一般只用于開發(fā)人員自己測試

• 哨兵模式:哨兵模式是一種特殊的模式，首先Redis提供了哨兵的命令，哨兵是一個獨立的進程，作為進程，它會獨立運行。其原理是哨兵通過發(fā)送命令，等待Redis服務(wù)器響應(yīng)，從而監(jiān)控運行的多個Redis實例。它具備自動故障轉(zhuǎn)移、集群監(jiān)控、消息通知等功能。

• cluster集群模式:在redis3.0版本中支持了cluster集群部署的方式，這種集群部署的方式能自動將數(shù)據(jù)進行分片，每個master上放一部分數(shù)據(jù)，提供了內(nèi)置的高可用服務(wù)，即使某個master掛了，服務(wù)還可以正常地提供。

• 主從復(fù)制:在主從復(fù)制這種集群部署模式中，我們會將數(shù)據(jù)庫分為兩類，第一種稱為主數(shù)據(jù)庫(master)，另一種稱為從數(shù)據(jù)庫(slave)。主數(shù)據(jù)庫會負責我們整個系統(tǒng)中的讀寫操作，從數(shù)據(jù)庫會負責我們整個數(shù)據(jù)庫中的讀操作。其中在職場開發(fā)中的真實情況是，我們會讓主數(shù)據(jù)庫只負責寫操作，讓從數(shù)據(jù)庫只負責讀操作，就是為了讀寫分離，減輕服務(wù)器的壓力。

11.哨兵有哪些作用？

• 1.監(jiān)控整個主數(shù)據(jù)庫和從數(shù)據(jù)庫，觀察它們是否正常運行

• 2.當主數(shù)據(jù)庫發(fā)生異常時，自動的將從數(shù)據(jù)庫升級為主數(shù)據(jù)庫，繼續(xù)保證整個服務(wù)的穩(wěn)定

12.哨兵選舉過程是怎么樣的？

• 1.第一個發(fā)現(xiàn)該master掛了的哨兵，向每個哨兵發(fā)送命令，讓對方選舉自己成為領(lǐng)頭哨兵

• 2.其他哨兵如果沒有選舉過他人，就會將這一票投給第一個發(fā)現(xiàn)該master掛了的哨兵

• 3.第一個發(fā)現(xiàn)該master掛了的哨兵如果發(fā)現(xiàn)由超過一半哨兵投給自己，并且其數(shù)量也超過了設(shè)定的quoram參數(shù)，那么該哨兵就成了領(lǐng)頭哨兵

• 4.如果多個哨兵同時參與這個選舉，那么就會重復(fù)該過程，知道選出一個領(lǐng)頭哨兵

選出領(lǐng)頭哨兵后，就開始了故障修復(fù)，會從選出一個從數(shù)據(jù)庫作為新的master

13.cluster集群模式是怎么存放數(shù)據(jù)的？

一個cluster集群中總共有16384個節(jié)點，集群會將這16384個節(jié)點平均分配給每個節(jié)點，當然，我這里的節(jié)點指的是每個主節(jié)點，就如同下圖：

14.cluster的故障恢復(fù)是怎么做的？

判斷故障的邏輯其實與哨兵模式有點類似，在集群中，每個節(jié)點都會定期的向其他節(jié)點發(fā)送ping命令，通過有沒有收到回復(fù)來判斷其他節(jié)點是否已經(jīng)下線。

如果長時間沒有回復(fù)，那么發(fā)起ping命令的節(jié)點就會認為目標節(jié)點疑似下線，也可以和哨兵一樣稱作主觀下線，當然也需要集群中一定數(shù)量的節(jié)點都認為該節(jié)點下線才可以，我們來說說具體過程：

• 1.當A節(jié)點發(fā)現(xiàn)目標節(jié)點疑似下線，就會向集群中的其他節(jié)點散播消息，其他節(jié)點就會向目標節(jié)點發(fā)送命令，判斷目標節(jié)點是否下線
• 2.如果集群中半數(shù)以上的節(jié)點都認為目標節(jié)點下線，就會對目標節(jié)點標記為下線，從而告訴其他節(jié)點，讓目標節(jié)點在整個集群中都下線

15.主從同步原理是怎樣的？

• 1.當一個從數(shù)據(jù)庫啟動時，它會向主數(shù)據(jù)庫發(fā)送一個SYNC命令，master收到后，在后臺保存快照，也就是我們說的RDB持久化，當然保存快照是需要消耗時間的，并且redis是單線程的，在保存快照期間redis受到的命令會緩存起來

• 2.快照完成后會將緩存的命令以及快照一起打包發(fā)給slave節(jié)點，從而保證主從數(shù)據(jù)庫的一致性。

• 3.從數(shù)據(jù)庫接受到快照以及緩存的命令后會將這部分數(shù)據(jù)寫入到硬盤上的臨時文件當中，寫入完成后會用這份文件去替換掉RDB快照文件，當然，這個操作是不會阻塞的，可以繼續(xù)接收命令執(zhí)行，具體原因其實就是fork了一個子進程，用子進程去完成了這些功能。

因為不會阻塞，所以，這部分初始化完成后，當主數(shù)據(jù)庫執(zhí)行了改變數(shù)據(jù)的命令后，會異步的給slave，這也就是我們說的復(fù)制同步階段，這個階段會貫穿在整個中從同步的過程中，直到主從同步結(jié)束后，復(fù)制同步才會終止。

16.無硬盤復(fù)制是什么？

我們剛剛說了主從之間是通過RDB快照來交互的，雖然看來邏輯很簡單，但是還是會存在一些問題，但是會存在著一些問題。

• 1.master禁用了RDB快照時，發(fā)生了主從同步(復(fù)制初始化)操作，也會生成RDB快照，但是之后如果master發(fā)成了重啟，就會用RDB快照去恢復(fù)數(shù)據(jù)，這份數(shù)據(jù)可能已經(jīng)很久了，中間就會丟失數(shù)據(jù)

• 2.在這種一主多從的結(jié)構(gòu)中，master每次和slave同步數(shù)據(jù)都要進行一次快照，從而在硬盤中生成RDB文件，會影響性能

為了解決這種問題，redis在后續(xù)的更新中也加入了無硬盤復(fù)制功能，也就是說直接通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給slave，避免了和硬盤交互，但是也是有io消耗