redis基础及redis特殊场景使用描述

数据类型

String set list hash zset

redis原理

单线程：redis是单线程+io多路复用：检查文件描述的就绪状态

  • 对比memchached：多线程+锁

redis优势

  1. 解决应用服务器的cpu和内存压力
  2. 减少io的读操作，减轻io的压力
  3. 关系型数据库的扩展性不强，难以改变表结构
  4. nosql数据库没有关联关系，数据结构简单，拓展表比较容易；nosql读取速度快，对较大数据处理快；

主要是从两个角度去考虑:性能和并发。当然，redis还具备可以做分布式锁等其他功能，但是如果只是为了分布式锁这些其他功能，完全还有其他中间件(如zookpeer等)代替，并不是非要使用redis。因此，这个问题主要从性能和并发两个角度去答。

  1. 性能：我们在碰到需要执行耗时特别久，且结果不频繁变动的SQL，就特别适合将运行结果放入缓存。这样，后面的请求就去缓存中读取，使得请求能够迅速响应。
  2. 并发：在大并发的情况下，所有的请求直接访问数据库，数据库会出现连接异常。这个时候，就需要使用redis做一个缓冲操作，让请求先访问到redis，而不是直接访问数据库。

redis持久化

  1. RDB——redis database

在指定时间间隔内，将内存中的数据作为一个快照文件（snapshot）写入到磁盘，读取的时候也是直接读取snapshot文件到内存中

① 持久化过程：redis单独创建（fork）一个进程来持久化，会先将数据写入临时文件中，待上次持久化结束后，会将该临时文件替换上次持久化文件，比aof高效，但是最后一次数据可能会丢失

② Fork：在linux中，fork（）会产生一个跟主进程一样的子进程，出于效率考虑，主进程和子进程会公用一段物理内存，当发生改变的时候，才会把主进程“”写时复制”一份给子进程

③ Redis备份的文件：在redis.conf中设置，dbfilename默认为：dump.rdb

④ Rdb保存策略：

900s 1 file change
300s 10file change
60s 10000file change

⑤Rdb的备份：

config get dir 得到备份的文件夹
复制备份文件

⑥Rdb恢复：

关闭redis
将备份文件复制到工作目录下
启动redis，自动加载
  1. AOF——append of file

以日志形式记录每个写操作，启动时通过日志恢复操作

开启AOF：默认不开启，进入redis.conf找到appendonly yes打开
修复AOF：redis-check-aof –fix appendonly.aof
同步频率：每秒记录一次，如果宕机该秒记可能失效
Rewrite：bgrewriteaof 因为日志是追加方式，文件会越来越大，当超过了设置的阈值时，日志文件会压缩，保留仅可以恢复的日志
  1. RDB vs AOF

RDB
优点：
* 节省磁盘空间
* 恢复速度快

缺点：
* 数据太大时，比较消耗性能
* 一段时间保存一次快照，宕机时最后一次可能没有保存

AOF
优点：
* 备份机制更加稳健
* 可读的日志文件，通过aof恢复更加稳健，可以处理失误

缺点：
* 比RDB更占磁盘
* 备份速度较慢
* 每次都同步日志，有性能压力

RDB和AOF哪个好
* 官方推荐都启用
* 对数据不敏感，单独用RDB
* 不建议单独使用AOF
* 若作为纯缓存使用，可以都不开启

集群

实现对redis的水平拓展，启动n’的redis节点，将整个数据分布在这n个节点中

  • 配置conf文件：
  1. 拷贝多个redis.conf文件

  2. 开启daemonize yes

  3. Pid文件名字

  4. 指定端口

  5. Log文件名字

  6. Dump.rdb名字

  7. Appendonly 关掉或者换名字

  • 配置cluster文件：

  1. cluster-enable yes 打开集群模式

  2. cluster-config-file xxx.conf 设置生成的节点配置文件名

  3. cluster-node-timeout 15000设置节点失联时间，超多该时间（毫秒），集群自动进入主从切换

分布式架构——session共享

  • session共享

缓存——热数据

  • 热点数据（经常会被查询，但是不经常被修改或者删除的数据），首选是使用redis缓存，毕竟强大到冒泡的QPS和极强的稳定性不是所有类似工具都有的，而且相比于memcached还提供了丰富的数据类型可以使用，另外，内存中的数据也提供了AOF和RDB等持久化机制可以选择，要冷、热的还是忽冷忽热的都可选。

  • 结合具体应用需要注意一下：很多人用spring的AOP来构建redis缓存的自动生产和清除，过程可能如下：

  1. Select 数据库前查询redis，有的话使用redis数据，放弃select 数据库，没有的话，select 数据库，然后将数据插入redis

  2. update或者delete数据库钱，查询redis是否存在该数据，存在的话先删除redis中数据，然后再update或者delete数据库中的数据

    上面这种操作，如果并发量很小的情况下基本没问题，但是高并发的情况请注意下面场景：
    为了update先删掉了redis中的该数据，这时候另一个线程执行查询，发现redis中没有，瞬间执行了查询SQL，并且插入到redis中一条数据，回到刚才那个update语句，这个悲催的线程压根不知道刚才那个该死的select线程犯了一个弥天大错！于是这个redis中的错误数据就永远的存在了下去，直到下一个update或者delete。

计数器

  • 诸如统计点击数等应用。由于单线程，可以避免并发问题，保证不会出错，而且100%毫秒级性能！爽。
命令：INCRBY
  • 当然爽完了，别忘记持久化，毕竟是redis只是存了内存！

队列

  • 相当于消息系统，ActiveMQ，RocketMQ等工具类似，但是个人觉得简单用一下还行，如果对于数据一致性要求高的话还是用RocketMQ等专业系统。

  • 由于redis把数据添加到队列是返回添加元素在队列的第几位，所以可以做判断用户是第几个访问这种业务

  • 队列不仅可以把并发请求变成串行，并且还可以做队列或者栈使用

位操作（大数据处理）

  • 用于数据量上亿的场景下，例如几亿用户系统的签到，去重登录次数统计，某用户是否在线状态等等。

  • 想想一下腾讯10亿用户，要几个毫秒内查询到某个用户是否在线，你能怎么做？千万别说给每个用户建立一个key，然后挨个记（你可以算一下需要的内存会很恐怖，而且这种类似的需求很多，腾讯光这个得多花多少钱。。）好吧。这里要用到位操作——使用setbit、getbit、bitcount命令。

    原理是：
    redis内构建一个足够长的数组，每个数组元素只能是0和1两个值，然后这个数组的下标index用来表示我们上面例子里面的用户id（必须是数字哈），那么很显然，这个几亿长的大数组就能通过下标和元素值（0和1）来构建一个记忆系统，上面我说的几个场景也就能够实现。用到的命令是：setbit、getbit、bitcount

分布式锁与单线程机制

  • 验证前端的重复请求（可以自由扩展类似情况），可以通过redis进行过滤：每次请求将request Ip、参数、接口等hash作为key存储redis（幂等性请求），设置多长时间有效期，然后下次请求过来的时候先在redis中检索有没有这个key，进而验证是不是一定时间内过来的重复提交

  • 秒杀系统，基于redis是单线程特征，防止出现数据库“爆破”

  • 全局增量ID生成，类似“秒杀”

最新列表——list

  • 利用list的自然时间排序存储最新n个数据
  • 例如新闻列表页面最新的新闻列表，如果总数量很大的情况下，尽量不要使用select a from A limit 10这种low货，尝试redis的 LPUSH命令构建List，一个个顺序都塞进去就可以啦。不过万一内存清掉了咋办？也简单，查询不到存储key的话，用mysql查询并且初始化一个List到redis中就好了。

排行榜——zset

  • 谁得分高谁排名往上。
命令：ZADD（有续集，sorted set）

Q&&A

Q：使用redis有什么缺点

  • 缓存和数据库双写一致性问题
  • 缓存雪崩问题
  • 缓存击穿问题
  • 缓存的并发竞争问题

Q：单线程的redis为什么这么快

  • 纯内存操作
  • 单线程操作，避免了频繁的上下文切换
  • 采用了非阻塞I/O多路复用机制
    非阻塞I/O多路复用机制

Q：redis的数据类型，以及每种数据类型的使用场景

  1. String

    这个其实没啥好说的，最常规的set/get操作，value可以是String也可以是数字。一般做一些复杂的计数功能的缓存。

  2. hash

    这里value存放的是结构化的对象，比较方便的就是操作其中的某个字段。博主在做单点登录的时候，就是用这种数据结构存储用户信息，以cookieId作为key，设置30分钟为缓存过期时间，能很好的模拟出类似session的效果。

  3. list

    使用List的数据结构，可以做简单的消息队列的功能。另外还有一个就是，可以利用lrange命令，做基于redis的分页功能，性能极佳，用户体验好。本人还用一个场景，很合适—取行情信息。就也是个生产者和消费者的场景。LIST可以很好的完成排队，先进先出的原则。

  4. set

    因为set堆放的是一堆不重复值的集合。所以可以做全局去重的功能。为什么不用JVM自带的Set进行去重？因为我们的系统一般都是集群部署，使用JVM自带的Set，比较麻烦，难道为了一个做一个全局去重，再起一个公共服务，太麻烦了。
    另外，就是利用交集、并集、差集等操作，可以计算共同喜好，全部的喜好，自己独有的喜好等功能。

  5. sorted set

    sorted set多了一个权重参数score,集合中的元素能够按score进行排列。可以做排行榜应用，取TOP N操作。

Q：redis的过期策略以及内存淘汰机制

分析:这个问题其实相当重要，到底redis有没用到家，这个问题就可以看出来。比如你redis只能存5G数据，可是你写了10G，那会删5G的数据。怎么删的，这个问题思考过么？还有，你的数据已经设置了过期时间，但是时间到了，内存占用率还是比较高，有思考过原因么?

  • redis采用的是定期删除+惰性删除策略。

  • 为什么不用定时删除策略?

    定时删除,用一个定时器来负责监视key,过期则自动删除。虽然内存及时释放，但是十分消耗CPU资源。在大并发请求下，CPU要将时间应用在处理请求，而不是删除key,因此没有采用这一策略.

  • 定期删除+惰性删除是如何工作的呢?

    定期删除，redis默认每个100ms检查，是否有过期的key,有过期key则删除。需要说明的是，redis不是每个100ms将所有的key检查一次，而是随机抽取进行检查(如果每隔100ms,全部key进行检查，redis岂不是卡死)。因此，如果只采用定期删除策略，会导致很多key到时间没有删除。
    于是，惰性删除派上用场。也就是说在你获取某个key的时候，redis会检查一下，这个key如果设置了过期时间那么是否过期了？如果过期了此时就会删除。

  • 采用定期删除+惰性删除就没其他问题了么?

    不是的，如果定期删除没删除key。然后你也没即时去请求key，也就是说惰性删除也没生效。这样，redis的内存会越来越高。那么就应该采用内存淘汰机制。

  • 在redis.conf中有一行配置 
# maxmemory-policy volatile-lru
  • 该配置就是配内存淘汰策略的(什么，你没配过？好好反省一下自己)
  1. noeviction：当内存不足以容纳新写入数据时，新写入操作会报错。应该没人用吧。
  2. allkeys-lru：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。推荐使用，目前项目在用这种。
  3. allkeys-random：当内存不足以容纳新写入数据时，在键空间中，随机移除某个key。应该也没人用吧，你不删最少使用Key,去随机删。
  4. volatile-lru：当内存不足以容纳新写入数据时，在设置了过期时间的键空间中，移除最近最少使用的key。这种情况一般是把redis既当缓存，又做持久化存储的时候才用。不推荐
  5. volatile-random：当内存不足以容纳新写入数据时，在设置了过期时间的键空间中，随机移除某个key。依然不推荐
  6. volatile-ttl：当内存不足以容纳新写入数据时，在设置了过期时间的键空间中，有更早过期时间的key优先移除。不推荐

ps：如果没有设置 expire 的key, 不满足先决条件(prerequisites); 那么 volatile-lru, volatile-random 和 volatile-ttl 策略的行为, 和 noeviction(不删除) 基本上一致。

Q：redis和数据库双写一致性问题

分析:一致性问题是分布式常见问题，还可以再分为最终一致性和强一致性。数据库和缓存双写，就必然会存在不一致的问题。答这个问题，先明白一个前提。就是如果对数据有强一致性要求，不能放缓存。我们所做的一切，只能保证最终一致性。另外，我们所做的方案其实从根本上来说，只能说降低不一致发生的概率，无法完全避免。因此，有强一致性要求的数据，不能放缓存。

  • 首先，采取正确更新策略，先更新数据库，再删缓存。其次，因为可能存在删除缓存失败的问题，提供一个补偿措施即可，例如利用消息队列。

Q：如何应对缓存穿透和缓存雪崩问题

分析:这两个问题，说句实在话，一般中小型传统软件企业，很难碰到这个问题。如果有大并发的项目，流量有几百万左右。这两个问题一定要深刻考虑。

  • 缓存穿透：即黑客故意去请求缓存中不存在的数据，导致所有的请求都怼到数据库上，从而数据库连接异常。
  1. 利用互斥锁，缓存失效的时候，先去获得锁，得到锁了，再去请求数据库。没得到锁，则休眠一段时间重试
  2. 采用异步更新策略，无论key是否取到值，都直接返回。value值中维护一个缓存失效时间，缓存如果过期，异步起一个线程去读数据库，更新缓存。需要做缓存预热(项目启动前，先加载缓存)操作。
  3. 提供一个能迅速判断请求是否有效的拦截机制，比如，利用布隆过滤器，内部维护一系列合法有效的key。迅速判断出，请求所携带的Key是否合法有效。如果不合法，则直接返回。
  • 缓存雪崩：即缓存同一时间大面积的失效，这个时候又来了一波请求，结果请求都怼到数据库上，从而导致数据库连接异常。
  1. 给缓存的失效时间，加上一个随机值，避免集体失效。
  2. 使用互斥锁，但是该方案吞吐量明显下降了。
  3. 双缓存。我们有两个缓存，缓存A和缓存B。缓存A的失效时间为20分钟，缓存B不设失效时间。自己做缓存预热操作。然后细分以下几个小点
    I 从缓存A读数据库，有则直接返回
    II A没有数据，直接从B读数据，直接返回，并且异步启动一个更新线程。
    III 更新线程同时更新缓存A和缓存B。

Q：如何解决redis的并发竞争key问题

分析:这个问题大致就是，同时有多个子系统去set一个key。这个时候要注意什么呢？大家思考过么。需要说明一下，博主提前百度了一下，发现答案基本都是推荐用redis事务机制。博主不推荐使用redis的事务机制。因为我们的生产环境，基本都是redis集群环境，做了数据分片操作。你一个事务中有涉及到多个key操作的时候，这多个key不一定都存储在同一个redis-server上。因此，redis的事务机制，十分鸡肋。

  1. 如果对这个key操作，不要求顺序

这种情况下，准备一个分布式锁，大家去抢锁，抢到锁就做set操作即可，比较简单。

  1. 如果对这个key操作，要求顺序

假设有一个key1,系统A需要将key1设置为valueA,系统B需要将key1设置为valueB,系统C需要将key1设置为valueC.
期望按照key1的value值按照 valueA–>valueB–>valueC的顺序变化。这种时候我们在数据写入数据库的时候，需要保存一个时间戳。假设时间戳如下

系统A key 1 {valueA  3:00}
系统B key 1 {valueB  3:05}
系统C key 1 {valueC  3:10}

那么，假设这会系统B先抢到锁，将key1设置为{valueB 3:05}。接下来系统A抢到锁，发现自己的valueA的时间戳早于缓存中的时间戳，那就不做set操作了。以此类推。
其他方法，比如利用队列，将set方法变成串行访问也可以。总之，灵活变通。

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