Redis閒談（1）：構建知識圖譜

場景：Redis面試

（圖片來源於網絡）

面試官： 我看到你的簡歷上說你熟練使用Redis，那麼你講一下Redis是幹嗎用的？

小明： （心中竊喜，Redis不就是緩存嗎？）Redis主要用做緩存，經過內存高效地存儲非持久化數據。

面試官： Redis能夠用做持久化的存儲嗎？

小明 ：嗯...應該能夠吧...

面試官： 那Redis怎麼進行持久化操做呢？

小明：嗯...不是太清楚。

面試官： Redis的內存淘汰機制有哪些？

小明：嗯...沒了解過

面試官：咱們還能夠用Redis作哪些事情？分別利用了Redis的哪一個指令？

小明：我只知道Redis還能夠作分佈式鎖、消息隊列...

面試官：好了，咱們進入下一個話題...

思考：很明顯，小明同窗在面試過程當中關於Redis的表現和回答確定是比較失敗的。Redis是咱們工做中天天都會使用到的東西，爲何一到面試卻變成了丟分項呢？

做爲開發者，咱們習慣了使用大神們已經封裝好的東西，以此保障咱們可以更專一於業務開發，殊不知道這些經常使用工具的底層實現是什麼，所以儘管平時應用起來駕輕就熟，但一到面試仍是沒法讓面試官眼前一亮。

本文總結了一些Redis的知識點，有原理有應用，但願能夠幫助到你們。

1、Redis是什麼

REmote DIctionary Server(Redis) 是一個由Salvatore Sanfilippo寫的key-value存儲系統。

Redis是一個開源的使用ANSI 、C語言編寫、遵照BSD協議、支持網絡、可基於內存亦可持久化的日誌型、Key-Value數據庫，並提供多種語言的API。

這裏我引用了Redis教程裏對Redis的描述，很官方，可是很標準。

**可基於內存亦可持久化的日誌型、Key-Value數據庫。**

我認爲這個描述很貼切很全面。

1.1 Redis的行業地位

Redis是互聯網技術領域使用最爲普遍的存儲中間件，因超高的性能、完美的文檔、多方面的應用能力以及豐富完善的客戶端支持在存儲方面獨當一面，廣受好評，尤爲以其性能和讀取速度而成爲了領域中最受青睞的中間件。基本上每個軟件公司都會使用Redis，其中包括不少大型互聯網公司，好比京東、阿里、騰訊、github等。所以，Redis也成爲了後端開發人員必不可少的技能。

1.2 知識圖譜

在我看來，學習每一項技術，都須要有一個清晰的脈絡和結構，否則你也不知道本身會了哪些、還有多少沒學會。就像一本書，若是沒有目錄章節，也就失去了靈魂。

所以我試圖總結出Redis的知識圖譜，也稱爲腦圖，以下圖所示，可能知識點不是很全，後續會不斷更新補充。

本系列文章的知識點也會和這個腦圖基本一致，本文先介紹Redis的基本知識，後續文章會詳細介紹Redis的數據結構、應用、持久化等多個方面。

2、Redis優勢

2.1 速度快

做爲緩存工具，Redis最廣爲人知的特色就是快，到底有多快呢？Redis單機qps（每秒的併發）能夠達到110000次/s，寫的速度是81000次/s。
那麼，Redis爲何這麼快呢？

• 絕大部分請求是純粹的內存操做，很是快速；
• 使用了不少查找操做都特別快的數據結構進行數據存儲，Redis中的數據結構是專門設計的。如HashMap，查找、插入的時間複雜度都是O(1)；
• 採用單線程，避免了沒必要要的上下文切換和競爭條件，也不存在多進程或者多線程致使的切換而消耗CPU，不用去考慮各類鎖的問題，不存在加鎖、釋放鎖操做，沒有由於可能出現死鎖而致使的性能消耗；
• 用到了非阻塞I/O多路複用機制。

2.2 豐富的數據類型

Redis有5種經常使用的數據類型：String、List、Hash、set、zset，每種數據類型都有本身的用處。

2.3 原子性，支持事務

Redis支持事務，而且它的全部操做都是原子性的，同時Redis還支持對幾個操做合併後的原子性執行。

2.4 豐富的特性

Redis具備豐富的特性，好比能夠用做分佈式鎖；能夠持久化數據；能夠用做消息隊列、排行榜、計數器；還支持publish/subscribe、通知、key過時等等。當咱們要用中間件來解決實際問題的時候，Redis總能發揮出本身的用處。

3、Redis和Memcache對比

Memcache和Redis都是優秀的、高性能的內存數據庫，通常咱們說到Redis的時候，都會拿Memcache來和Redis作對比。（爲何要作對比呢？固然是要陪襯出Redis有多好，沒有對比，就沒有傷害~）對比的方面包括：

3.1 存儲方式

• Memcache把數據所有存在內存之中，斷電後會掛掉，沒法作到數據的持久化，且數據不能超過內存大小。
• Redis有一部分數據存在硬盤上，能夠作到數據的持久性。

3.2 數據支持類型

• Memcache對數據類型支持相對簡單，只支持String類型的數據結構。
• Redis有豐富的數據類型，包括：String、List、Hash、Set、Zset。

3.3 使用的底層模型

• 它們之間底層實現方式以及與客戶端之間通訊的應用協議不同。
• Redis直接本身構建了VM機制 ，由於通常的系統調用系統函數，會浪費必定的時間去移動和請求。

3.4 存儲值大小

• Redis最大能夠存儲1GB，而memcache只有1MB。

看到這裏，會不會以爲Redis特別好，全是優勢，天衣無縫？其實Redis仍是有不少缺點的，這些缺點日常咱們該如何克服呢？

4、Redis存在的問題及解決方案

4.1 緩存數據庫的雙寫一致性的問題

問題：一致性的問題是分佈式系統中很常見的問題。一致性通常分爲兩種：強一致性和最終一致性，當咱們要知足強一致性的時候，Redis也沒法作到完美無瑕，由於數據庫和緩存雙寫，確定會出現不一致的狀況，Redis只能保證最終一致性。

解決：咱們如何保證最終一致性呢？

• 第一種方式是給緩存設置必定的過時時間，在緩存過時以後會自動查詢數據庫，保證數據庫和緩存的一致性。
• 若是不設置過時時間的話，咱們首先要選取正確的更新策略：先更新數據庫再刪除緩存。但咱們刪除緩存的時候也可能出現某些問題，因此須要將要刪除的緩存的key放到消息隊列中去，不斷重試，直到刪除成功爲止。

4.2 緩存雪崩問題

問題： 咱們應該都在電影裏看到過雪崩，開始很平靜，而後一瞬間就開始崩塌，具備很強的毀滅性。這裏也是同樣的，咱們執行代碼的時候將不少緩存的實效時間設定成同樣，接着這些緩存在同一時間都會實效，而後都會從新訪問數據庫更新數據，這樣會致使數據庫鏈接數過多、壓力過大而崩潰。

解決：

• 設置緩存過時時間的時候加一個隨機值。
• 設置雙緩存，緩存1設置緩存時間，緩存2不設置，1過時後直接返回緩存2，而且啓動一個進程去更新緩存1和2。

4.3 緩存穿透問題

問題： 緩存穿透是指一些非正經常使用戶(黑客)故意去請求緩存中不存在的數據，致使全部的請求都集中到到數據庫上，從而致使數據庫鏈接異常。

解決:

• 利用互斥鎖。緩存失效的時候，不能直接訪問數據庫，而是要先獲取到鎖，才能去請求數據庫。沒獲得鎖，則休眠一段時間後重試。
• 採用異步更新策略。不管key是否取到值，都直接返回。value值中維護一個緩存失效時間，緩存若是過時，異步起一個線程去讀數據庫，更新緩存。須要作緩存預熱(項目啓動前，先加載緩存)操做。
• 提供一個能迅速判斷請求是否有效的攔截機制。好比利用布隆過濾器，內部維護一系列合法有效的key，迅速判斷出請求所攜帶的Key是否合法有效。若是不合法，則直接返回。

4.4 緩存的併發競爭問題

問題：

緩存併發競爭的問題，主要發生在多線程對某個key進行set的時候，這時會出現數據不一致的狀況。

好比Redis中咱們存着一個key爲amount的值，它的value是100，兩個線程同時都對value加100而後更新，正確的結果應該是變爲300。可是兩個線程拿到這個值的時候都是100，最後結果也就是200，這就致使了緩存的併發競爭問題。

解決

• 若是多線程操做沒有順序要求的話，咱們能夠設置一個分佈式鎖，而後多個線程去爭奪鎖，誰先搶到鎖誰就能夠先執行。這個分佈式鎖能夠用zookeeper或者Redis自己去實現。
• 能夠利用Redis的incr命令。
• 當咱們的多線程操做須要順序的時候，咱們能夠設置一個消息隊列，把須要的操做加到消息隊列中去，嚴格按照隊列的前後執行命令。

5、Redis的過時策略

Redis隨着數據的增多，內存佔用率會持續變高，咱們覺得一些鍵到達設置的刪除時間就會被刪除，可是時間到了，內存的佔用率仍是很高，這是爲何呢？

Redis採用的是按期刪除和惰性刪除的內存淘汰機制。

5.1 按期刪除

按期刪除和定時刪除是有區別的：

• 定時刪除是必須嚴格按照設定的時間去刪除緩存，這就須要咱們設置一個定時器去不斷地輪詢全部的key，判斷是否須要進行刪除。可是這樣的話cpu的資源會被大幅度地佔據，資源的利用率變低。因此咱們選擇採用按期刪除，。
• 按期刪除是時間由咱們定，咱們能夠每隔100ms進行檢查，但仍是不能檢查全部的緩存，Redis仍是會卡死，只能隨機地去檢查一部分緩存，可是這樣會有一些緩存沒法在規定時間內刪除。這時惰性刪除就派上用場了。

5.2 惰性刪除

舉個簡單的例子：中學的時候，平時做業太多，根本作不完，老師說下節課要講這個卷子，大家都作完了吧？其實有不少人沒作完，因此須要在下節課以前趕忙補上。

惰性刪除也是這個道理，咱們的這個值按理說應該沒了，可是它還在，當你要獲取這個key的時候，發現這個key應該過時了，趕忙刪了，而後返回一個'沒有這個值，已通過期了!'。

如今咱們有了按期刪除 + 惰性刪除的過時策略，就能夠高枕無憂了嗎？並非這樣的，若是這個key一直不訪問，那麼它會一直滯留，也是不合理的，這就須要咱們的內存淘汰機制了。

5.3 Redis的內存淘汰機制

Redis的內存淘汰機制通常有6種，以下圖所示：

那麼咱們如何去配置Redis的內存淘汰機制呢？

在Redis.conf中咱們能夠進行配置

# maxmemory-policy allkeys-lru

6、小結

本文初探Redis，大概整理出了Redis的知識圖譜，對照之下能夠發現Redis竟然有這麼多的知識點須要學習；接着咱們分析了Redis的優缺點，知道了其基於內存的高效的讀寫速度和豐富的數據類型，也分析了Redis面對數據一致性、緩存穿透、緩存雪崩等問題時該如何處理；最後咱們瞭解了Redis的過時策略和緩存淘汰機制。

相信你們已經對Redis有了一些瞭解，下篇文章咱們將分析Redis的數據結構、每一種數據類型是如何實現的、對應的命令有哪些。

做者：楊亨
來源：宜信技術學院