什么是Redis以及其作用

什么是Redis以及其作用，相信很多没有经验的人对此束手无策，为此本文总结了问题出现的原因和解决方法，通过这篇文章希望你能解决这个问题。Redis，英文全称是Remote Dictionary Server（远程字典服务），是一个开源的使用ANSI C语言编写、支持网络、可基于内存亦可持久化的日志型、Key-Value数据库，并提供多种语言的API。【相关推荐：Redis视频教程】与MySQL数据库不同的是，Redis的数据是存在内存中的。它的读写速度非常快，每秒可以处理超过10万次读写操作。因此redis被广泛应用于缓存，另外，Redis也经常用来做分布式锁。除此之外，Redis支持事务、持久化、LUA 脚本、LRU 驱动事件、多种集群方案。大多数小伙伴都知道，Redis有以下这五种基本类型：String（字符串）Hash（哈希）List（列表）Set（集合）zset（有序集合）它还有三种特殊的数据结构类型GeospatialHyperloglogBitmap简介:String是Redis最基础的数据结构类型，它是二进制安全的，可以存储图片或者序列化的对象，值最大存储为512M简单使用举例: set key value、get key等应用场景：共享session、分布式锁，计数器、限流。内部编码有3种，int（8字节长整型）/embstr（小于等于39字节字符串）/raw（大于39个字节字符串）C语言的字符串是char[]实现的，而Redis使用SDS（simple dynamic string） 封装，sds源码如下：SDS 结构图如下：Redis为什么选择SDS结构，而C语言原生的 char[]不香吗？举例其中一点，SDS中，O(1)时间复杂度，就可以获取字符串长度；而C 字符串，需要遍历整个字符串，时间复杂度为O(n)简介：在Redis中，哈希类型是指v（值）本身又是一个键值对（k-v）结构简单使用举例：hset key field value 、hget key field内部编码：ziplist（压缩列表） 、hashtable（哈希表）应用场景：缓存用户信息等。注意点：如果开发使用hgetall，哈希元素比较多的话，可能导致Redis阻塞，可以使用hscan。而如果只是获取部分field，建议使用hmget。字符串和哈希类型对比如下图：简介：列表（list）类型是用来存储多个有序的字符串，一个列表最多可以存储2^32-1个元素。简单实用举例： lpush key value [value ...] 、lrange key start end内部编码：ziplist（压缩列表）、linkedlist（链表）应用场景： 消息队列，文章列表,一图看懂list类型的插入与弹出：list应用场景参考以下：lpush+lpop=Stack（栈）lpush+rpop=Queue（队列）lpsh+ltrim=Capped Collection（有限集合）lpush+brpop=Message Queue（消息队列）简介：集合（set）类型也是用来保存多个的字符串元素，但是不允许重复元素简单使用举例：sadd key element [element ...]、smembers key内部编码：intset（整数集合）、hashtable（哈希表）注意点：smembers和lrange、hgetall都属于比较重的命令，如果元素过多存在阻塞Redis的可能性，可以使用sscan来完成。应用场景： 用户标签,生成随机数抽奖、社交需求。简介：已排序的字符串集合，同时元素不能重复简单格式举例：zadd key score member [score member ...]，zrank key member底层内部编码：ziplist（压缩列表）、skiplist（跳跃表）应用场景：排行榜，社交需求（如用户点赞）。Geo：Redis3.2推出的，地理位置定位，用于存储地理位置信息，并对存储的信息进行操作。HyperLogLog：用来做基数统计算法的数据结构，如统计网站的UV。Bitmaps ：用一个比特位来映射某个元素的状态，在Redis中，它的底层是基于字符串类型实现的，可以把bitmaps成作一个以比特位为单位的数组我们都知道内存读写是比在磁盘快很多的，Redis基于内存存储实现的数据库，相对于数据存在磁盘的MySQL数据库，省去磁盘I/O的消耗。我们知道，Mysql索引为了提高效率，选择了B+树的数据结构。其实合理的数据结构，就是可以让你的应用/程序更快。先看下Redis的数据结构&内部编码图：字符串长度处理：Redis获取字符串长度，时间复杂度为O(1)，而C语言中，需要从头开始遍历，复杂度为O（n）;空间预分配：字符串修改越频繁的话，内存分配越频繁，就会消耗性能，而SDS修改和空间扩充，会额外分配未使用的空间，减少性能损耗。惰性空间释放：SDS 缩短时，不是回收多余的内存空间，而是free记录下多余的空间，后续有变更，直接使用free中记录的空间，减少分配。二进制安全：Redis可以存储一些二进制数据，在C语言中字符串遇到’’会结束，而 SDS中标志字符串结束的是len属性。Redis 作为 K-V 型内存数据库，所有的键值就是用字典来存储。字典就是哈希表，比如HashMap，通过key就可以直接获取到对应的value。而哈希表的特性，在O（1）时间复杂度就可以获得对应的值。跳跃表是Redis特有的数据结构，就是在链表的基础上，增加多级索引提升查找效率。跳跃表支持平均 O（logN）,最坏 O（N）复杂度的节点查找，还可以通过顺序性操作批量处理节点。Redis 支持多种数据数据类型，每种基本类型，可能对多种数据结构。什么时候,使用什么样数据结构，使用什么样编码，是redis设计者总结优化的结果。String：如果存储数字的话，是用int类型的编码;如果存储非数字，小于等于39字节的字符串，是embstr；大于39个字节，则是raw编码。List：如果列表的元素个数小于512个，列表每个元素的值都小于64字节（默认），使用ziplist编码，否则使用linkedlist编码Hash：哈希类型元素个数小于512个，所有值小于64字节的话，使用ziplist编码,否则使用hashtable编码。Set：如果集合中的元素都是整数且元素个数小于512个，使用intset编码，否则使用hashtable编码。Zset：当有序集合的元素个数小于128个，每个元素的值小于64字节时，使用ziplist编码，否则使用skiplist（跳跃表）编码I/O 多路复用多路I/O复用技术可以让单个线程高效的处理多个连接请求，而Redis使用用epoll作为I/O多路复用技术的实现。并且，Redis自身的事件处理模型将epoll中的连接、读写、关闭都转换为事件，不在网络I/O上浪费过多的时间。什么是I/O多路复用？I/O ：网络 I/O多路 ：多个网络连接复用：复用同一个线程。IO多路复用其实就是一种同步IO模型，它实现了一个线程可以监视多个文件句柄；一旦某个文件句柄就绪，就能够通知应用程序进行相应的读写操作；而没有文件句柄就绪时,就会阻塞应用程序，交出cpu。单线程模型Redis是单线程模型的，而单线程避免了CPU不必要的上下文切换和竞争锁的消耗。也正因为是单线程，如果某个命令执行过长（如hgetall命令），会造成阻塞。Redis是面向快速执行场景的数据库。，所以要慎用如smembers和lrange、hgetall等命令。Redis 6.0 引入了多线程提速，它的执行命令操作内存的仍然是个单线程。Redis直接自己构建了VM机制 ，不会像一般的系统会调用系统函数处理，会浪费一定的时间去移动和请求。Redis的虚拟内存机制是啥呢？虚拟内存机制就是暂时把不经常访问的数据(冷数据)从内存交换到磁盘中，从而腾出宝贵的内存空间用于其它需要访问的数据(热数据)。通过VM功能可以实现冷热数据分离，使热数据仍在内存中、冷数据保存到磁盘。这样就可以避免因为内存不足而造成访问速度下降的问题。先来看一个常见的缓存使用方式：读请求来了，先查下缓存，缓存有值命中，就直接返回；缓存没命中，就去查数据库，然后把数据库的值更新到缓存，再返回。缓存穿透：指查询一个一定不存在的数据，由于缓存是不命中时需要从数据库查询，查不到数据则不写入缓存，这将导致这个不存在的数据每次请求都要到数据库去查询，进而给数据库带来压力。通俗点说，读请求访问时，缓存和数据库都没有某个值，这样就会导致每次对这个值的查询请求都会穿透到数据库，这就是缓存穿透。缓存穿透一般都是这几种情况产生的：业务不合理的设计，比如大多数用户都没开守护，但是你的每个请求都去缓存，查询某个userid查询有没有守护。业务/运维/开发失误的操作，比如缓存和数据库的数据都被误删除了。黑客非法请求攻击，比如黑客故意捏造大量非法请求，以读取不存在的业务数据。如何避免缓存穿透呢？ 一般有三种方法。1.如果是非法请求，我们在API入口，对参数进行校验，过滤非法值。2.如果查询数据库为空，我们可以给缓存设置个空值，或者默认值。但是如有有写请求进来的话，需要更新缓存哈，以保证缓存一致性，同时，最后给缓存设置适当的过期时间。（业务上比较常用，简单有效）3.使用布隆过滤器快速判断数据是否存在。即一个查询请求过来时，先通过布隆过滤器判断值是否存在，存在才继续往下查。布隆过滤器原理：它由初始值为0的位图数组和N个哈希函数组成。一个对一个key进行N个hash算法获取N个值，在比特数组中将这N个值散列后设定为1，然后查的时候如果特定的这几个位置都为1，那么布隆过滤器判断该key存在。缓存雪奔： 指缓存中数据大批量到过期时间，而查询数据量巨大，请求都直接访问数据库，引起数据库压力过大甚至down机。缓存雪奔一般是由于大量数据同时过期造成的，对于这个原因，可通过均匀设置过期时间解决，即让过期时间相对离散一点。如采用一个较大固定值+一个较小的随机值，5小时+0到1800秒酱紫。Redis 故障宕机也可能引起缓存雪奔。这就需要构造Redis高可用集群啦。缓存击穿： 指热点key在某个时间点过期的时候，而恰好在这个时间点对这个Key有大量的并发请求过来，从而大量的请求打到db。缓存击穿看着有点像，其实它两区别是，缓存雪奔是指数据库压力过大甚至down机，缓存击穿只是大量并发请求到了DB数据库层面。可以认为击穿是缓存雪奔的一个子集吧。有些文章认为它俩区别，是区别在于击穿针对某一热点key缓存，雪奔则是很多key。解决方案就有两种：1.使用互斥锁方案。缓存失效时，不是立即去加载db数据，而是先使用某些带成功返回的原子操作命令，如(Redis的setnx）去操作，成功的时候，再去加载db数据库数据和设置缓存。否则就去重试获取缓存。2. “永不过期”，是指没有设置过期时间，但是热点数据快要过期时，异步线程去更新和设置过期时间。什么是热Key呢？在Redis中，我们把访问频率高的key，称为热点key。如果某一热点key的请求到服务器主机时，由于请求量特别大，可能会导致主机资源不足，甚至宕机，从而影响正常的服务。而热点Key是怎么产生的呢？主要原因有两个：用户消费的数据远大于生产的数据，如秒杀、热点新闻等读多写少的场景。请求分片集中，超过单Redi服务器的性能，比如固定名称key，Hash落入同一台服务器，瞬间访问量极大，超过机器瓶颈，产生热点Key问题。那么在日常开发中，如何识别到热点key呢？凭经验判断哪些是热Key；客户端统计上报；服务代理层上报如何解决热key问题？Redis集群扩容：增加分片副本，均衡读流量；将热key分散到不同的服务器中；使用二级缓存，即JVM本地缓存,减少Redis的读请求。我们在set key的时候，可以给它设置一个过期时间，比如expire key 60。指定这key60s后过期，60s后，redis是如何处理的嘛？我们先来介绍几种过期策略：每个设置过期时间的key都需要创建一个定时器，到过期时间就会立即对key进行清除。该策略可以立即清除过期的数据，对内存很友好；但是会占用大量的CPU资源去处理过期的数据，从而影响缓存的响应时间和吞吐量。只有当访问一个key时，才会判断该key是否已过期，过期则清除。该策略可以最大化地节省CPU资源，却对内存非常不友好。极端情况可能出现大量的过期key没有再次被访问，从而不会被清除，占用大量内存。每隔一定的时间，会扫描一定数量的数据库的expires字典中一定数量的key，并清除其中已过期的key。该策略是前两者的一个折中方案。通过调整定时扫描的时间间隔和每次扫描的限定耗时，可以在不同情况下使得CPU和内存资源达到最优的平衡效果。expires字典会保存所有设置了过期时间的key的过期时间数据，其中，key是指向键空间中的某个键的指针，value是该键的毫秒精度的UNIX时间戳表示的过期时间。键空间是指该Redis集群中保存的所有键。Redis中同时使用了惰性过期和定期过期两种过期策略。假设Redis当前存放30万个key，并且都设置了过期时间，如果你每隔100ms就去检查这全部的key，CPU负载会特别高，最后可能会挂掉。因此，redis采取的是定期过期，每隔100ms就随机抽取一定数量的key来检查和删除的。但是呢，最后可能会有很多已经过期的key没被删除。这时候，redis采用惰性删除。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并且已经过期了，此时就会删除。但是呀，如果定期删除漏掉了很多过期的key，然后也没走惰性删除。就会有很多过期key积在内存内存，直接会导致内存爆的。或者有些时候，业务量大起来了，redis的key被大量使用，内存直接不够了，运维小哥哥也忘记加大内存了。难道redis直接这样挂掉？不会的！Redis用8种内存淘汰策略保护自己~volatile-lru：当内存不足以容纳新写入数据时，从设置了过期时间的key中使用LRU（最近最少使用）算法进行淘汰；allkeys-lru：当内存不足以容纳新写入数据时，从所有key中使用LRU（最近最少使用）算法进行淘汰。volatile-lfu：4.0版本新增，当内存不足以容纳新写入数据时，在过期的key中，使用LFU算法进行删除key。allkeys-lfu：4.0版本新增，当内存不足以容纳新写入数据时，从所有key中使用LFU算法进行淘汰；volatile-random：当内存不足以容纳新写入数据时，从设置了过期时间的key中，随机淘汰数据；。allkeys-random：当内存不足以容纳新写入数据时，从所有key中随机淘汰数据。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key中，根据过期时间进行淘汰，越早过期的优先被淘汰；noeviction：默认策略，当内存不足以容纳新写入数据时，新写入操作会报错。缓存排行榜计数器应用共享Session分布式锁社交网络消息队列位操作我们一提到redis，自然而然就想到缓存，国内外中大型的网站都离不开缓存。合理的利用缓存，比如缓存热点数据，不仅可以提升网站的访问速度，还可以降低数据库DB的压力。并且，Redis相比于memcached，还提供了丰富的数据结构，并且提供RDB和AOF等持久化机制，强的一批。当今互联网应用，有各种各样的排行榜，如电商网站的月度销量排行榜、社交APP的礼物排行榜、小程序的投票排行榜等等。Redis提供的zset数据类型能够实现这些复杂的排行榜。比如，用户每天上传视频，获得点赞的排行榜可以这样设计：1.用户Jay上传一个视频，获得6个赞，可以酱紫：
过了一段时间，再获得一个赞，可以这样：
如果某个用户John作弊，需要删除该用户：
展示获取赞数最多的3个用户各大网站、APP应用经常需要计数器的功能，如短视频的播放数、电商网站的浏览数。这些播放数、浏览数一般要求实时的，每一次播放和浏览都要做加1的操作，如果并发量很大对于传统关系型数据的性能是一种挑战。Redis天然支持计数功能而且计数的性能也非常好，可以说是计数器系统的重要选择。如果一个分布式Web服务将用户的Session信息保存在各自服务器，用户刷新一次可能就需要重新登录了，这样显然有问题。实际上，可以使用Redis将用户的Session进行集中管理，每次用户更新或者查询登录信息都直接从Redis中集中获取。几乎每个互联网公司中都使用了分布式部署，分布式服务下，就会遇到对同一个资源的并发访问的技术难题，如秒杀、下单减库存等场景。用synchronize或者reentrantlock本地锁肯定是不行的。如果是并发量不大话，使用数据库的悲观锁、乐观锁来实现没啥问题。但是在并发量高的场合中，利用数据库锁来控制资源的并发访问，会影响数据库的性能。实际上，可以用Redis的setnx来实现分布式的锁。赞/踩、粉丝、共同好友/喜好、推送、下拉刷新等是社交网站的必备功能，由于社交网站访问量通常比较大，而且传统的关系型数据不太适保存
这种类型的数据，Redis提供的数据结构可以相对比较容易地实现这些功能。消息队列是大型网站必用中间件，如ActiveMQ、RabbitMQ、Kafka等流行的消息队列中间件，主要用于业务解耦、流量削峰及异步处理实时性低的业务。Redis提供了发布/订阅及阻塞队列功能，能实现一个简单的消息队列系统。另外，这个不能和专业的消息中间件相比。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。腾讯10亿用户，要几个毫秒内查询到某个用户是否在线，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。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。Redis是基于内存的非关系型K-V数据库，既然它是基于内存的，如果Redis服务器挂了，数据就会丢失。为了避免数据丢失了，Redis提供了持久化，即把数据保存到磁盘。Redis提供了RDB和AOF两种持久化机制，它持久化文件加载流程如下：RDB，就是把内存数据以快照的形式保存到磁盘上。什么是快照?可以这样理解，给当前时刻的数据，拍一张照片，然后保存下来。RDB持久化，是指在指定的时间间隔内，执行指定次数的写操作，将内存中的数据集快照写入磁盘中，它是Redis默认的持久化方式。执行完操作后，在指定目录下会生成一个dump.rdb文件，Redis 重启的时候，通过加载dump.rdb文件来恢复数据。RDB触发机制主要有以下几种：RDB 的优点适合大规模的数据恢复场景，如备份，全量复制等RDB缺点没办法做到实时持久化/秒级持久化。新老版本存在RDB格式兼容问题AOF（append only file） 持久化，采用日志的形式来记录每个写操作，追加到文件中，重启时再重新执行AOF文件中的命令来恢复数据。它主要解决数据持久化的实时性问题。默认是不开启的。AOF的工作流程如下：AOF的优点数据的一致性和完整性更高AOF的缺点AOF记录的内容越多，文件越大，数据恢复变慢。我们在项目中使用Redis，肯定不会是单点部署Redis服务的。因为，单点部署一旦宕机，就不可用了。为了实现高可用，通常的做法是，将数据库复制多个副本以部署在不同的服务器上，其中一台挂了也可以继续提供服务。 Redis 实现高可用有三种部署模式：主从模式，哨兵模式，集群模式。主从模式中，Redis部署了多台机器，有主节点，负责读写操作，有从节点，只负责读操作。从节点的数据来自主节点，实现原理就是主从复制机制主从复制包括全量复制，增量复制两种。一般当slave第一次启动连接master，或者认为是第一次连接，就采用全量复制，全量复制流程如下：1.slave发送sync命令到master。2.master接收到SYNC命令后，执行bgsave命令，生成RDB全量文件。3.master使用缓冲区，记录RDB快照生成期间的所有写命令。4.master执行完bgsave后，向所有slave发送RDB快照文件。5.slave收到RDB快照文件后，载入、解析收到的快照。6.master使用缓冲区，记录RDB同步期间生成的所有写的命令。7.master快照发送完毕后，开始向slave发送缓冲区中的写命令;8.salve接受命令请求，并执行来自master缓冲区的写命令redis2.8版本之后，已经使用psync来替代sync，因为sync命令非常消耗系统资源，psync的效率更高。slave与master全量同步之后，master上的数据，如果再次发生更新，就会触发增量复制。当master节点发生数据增减时，就会触发replicationFeedSalves()函数，接下来在 Master节点上调用的每一个命令会使用replicationFeedSlaves()来同步到Slave节点。执行此函数之前呢，master节点会判断用户执行的命令是否有数据更新，如果有数据更新的话，并且slave节点不为空，就会执行此函数。这个函数作用就是：把用户执行的命令发送到所有的slave节点，让slave节点执行。流程如下：主从模式中，一旦主节点由于故障不能提供服务，需要人工将从节点晋升为主节点，同时还要通知应用方更新主节点地址。显然，多数业务场景都不能接受这种故障处理方式。Redis从2.8开始正式提供了Redis Sentinel（哨兵）架构来解决这个问题。哨兵模式，由一个或多个Sentinel实例组成的Sentinel系统，它可以监视所有的Redis主节点和从节点，并在被监视的主节点进入下线状态时，自动将下线主服务器属下的某个从节点升级为新的主节点。但是呢，一个哨兵进程对Redis节点进行监控，就可能会出现问题（单点问题），因此，可以使用多个哨兵来进行监控Redis节点，并且各个哨兵之间还会进行监控。简单来说，哨兵模式就三个作用：发送命令，等待Redis服务器（包括主服务器和从服务器）返回监控其运行状态；哨兵监测到主节点宕机，会自动将从节点切换成主节点，然后通过发布订阅模式通知其他的从节点，修改配置文件，让它们切换主机；哨兵之间还会相互监控，从而达到高可用。故障切换的过程是怎样的呢假设主服务器宕机，哨兵1先检测到这个结果，系统并不会马上进行 failover 过程，仅仅是哨兵1主观的认为主服务器不可用，这个现象成为主观下线。当后面的哨兵也检测到主服务器不可用，并且数量达到一定值时，那么哨兵之间就会进行一次投票，投票的结果由一个哨兵发起，进行 failover 操作。切换成功后，就会通过发布订阅模式，让各个哨兵把自己监控的从服务器实现切换主机，这个过程称为客观下线。这样对于客户端而言，一切都是透明的。哨兵的工作模式如下：每个Sentinel以每秒钟一次的频率向它所知的Master，Slave以及其他Sentin免费主机域名el实例发送一个 PING命令。如果一个实例（instance）距离最后一次有效回复 PING 命令的时间超过 down-after-milliseconds 选项所指定的值， 则这个实例会被 Sentinel标记为主观下线。如果一个Master被标记为主观下线，则正在监视这个Master的所有 Sentinel 要以每秒一次的频率确认Master的确进入了主观下线状态。当有足够数量的 Sentinel（大于等于配置文件指定的值）在指定的时间范围内确认Master的确进入了主观下线状态， 则Master会被标记为客观下线。在一般情况下， 每个 Sentinel 会以每10秒一次的频率向它已知的所有Master，Slave发送 INFO 命令。当Master被 Sentinel 标记为客观下线时，Sentinel 向下线的 Master 的所有 Slave 发送 INFO 命令的频率会从 10 秒一次改为每秒一次若没有足够数量的 Sentinel同意Master已经下线， Master的客观下线状态就会被移除；若Master 重新向 Sentinel 的 PING 命令返回有效回复， Master 的主观下线状态就会被移除。哨兵模式基于主从模式，实现读写分离，它还可以自动切换，系统可用性更高。但是它每个节点存储的数据是一样的，浪费内存，并且不好在线扩容。
因此，Cluster集群应运而生，它在Redis3.0加入的，实现了Redis的分布式存储。对数据进行分片，也就是说每台Redis节点上存储不同的内容，来解决在线扩容的问题。并且，它也提供复制和故障转移的功能。一个Redis集群由多个节点组成，各个节点之间是怎么通信的呢？通过Gossip协议！Redis Cluster集群通过Gossip协议进行通信，节点之前不断交换信息，交换的信息内容包括节点出现故障、新节点加入、主从节点变更信息、slot信息等等。常用的Gossip消息分为4种，分别是：ping、pong、meet、fail。meet消息：通知新节点加入。消息发送者通知接收者加入到当前集群，meet消息通信正常完成后，接收节点会加入到集群中并进行周期性的ping、pong消息交换。ping消息：集群内交换最频繁的消息，集群内每个节点每秒向多个其他节点发送ping消息，用于检测节点是否在线和交换彼此状态信息。pong消息：当接收到ping、meet消息时，作为响应消息回复给发送方确认消息正常通信。pong消息内部封装了自身状态数据。节点也可以向集群内广播自身的pong消息来通知整个集群对自身状态进行更新。fail消息：当节点判定集群内另一个节点下线时，会向集群内广播一个fail消息，其他节点接收到fail消息之后把对应节点更新为下线状态。特别的，每个节点是通过集群总线(cluster bus) 与其他的节点进行通信的。通讯时，使用特殊的端口号，即对外服务端口号加10000。例如如果某个node的端口号是6379，那么它与其它nodes通信的端口号是 16379。nodes 之间的通信采用特殊的二进制协议。既然是分布式存储，Cluster集群使用的分布式算法是一致性Hash嘛？并不是，而是Hash Slot插槽算法。插槽算法把整个数据库被分为16384个slot（槽），每个进入Redis的键值对，根据key进行散列，分配到这16384插槽中的一个。使用的哈希映射也比较简单，用CRC16算法计算出一个16 位的值，再对16384取模。数据库中的每个键都属于这16384个槽的其中一个，集群中的每个节点都可以处理这16384个槽。集群中的每个节点负责一部分的hash槽，比如当前集群有A、B、C个节点，每个节点上的哈希槽数 =16384/3，那么就有：节点A负责0~5460号哈希槽节点B负责5461~10922号哈希槽节点C负责10923~16383号哈希槽Redis Cluster集群中，需要确保16384个槽对应的node都正常工作，如果某个node出现故障，它负责的slot也会失效，整个集群将不能工作。因此为了保证高可用，Cluster集群引入了主从复制，一个主节点对应一个或者多个从节点。当其它主节点 ping 一个主节点 A 时，如果半数以上的主节点与 A 通信超时，那么认为主节点 A 宕机了。如果主节点宕机时，就会启用从节点。在Redis的每一个节点上，都有两个玩意，一个是插槽（slot），它的取值范围是016383。另外一个是cluster，可以理解为一个集群管理的插件。当我们存取的key到达时，Redis 会根据CRC16算法得出一个16 bit的值，然后把结果对16384取模。酱紫每个key都会对应一个编号在 016383 之间的哈希槽，通过这个值，去找到对应的插槽所对应的节点，然后直接自动跳转到这个对应的节点上进行存取操作。虽然数据是分开存储在不同节点上的，但是对客户端来说，整个集群Cluster，被看做一个整体。客户端端连接任意一个node，看起来跟操作单实例的Redis一样。当客户端操作的key没有被分配到正确的node节点时，Redis会返回转向指令，最后指向正确的node，这就有点像浏览器页面的302 重定向跳转。Redis集群实现了高可用，当集群内节点出现故障时，通过故障转移，以保证集群正常对外提供服务。redis集群通过ping/pong消息，实现故障发现。这个环境包括主观下线和客观下线。主观下线： 某个节点认为另一个节点不可用，即下线状态，这个状态并不是最终的故障判定，只能代表一个节点的意见，可能存在误判情况。客观下线： 指标记一个节点真正的下线，集群内多个节点都认为该节点不可用，从而达成共识的结果。如果是持有槽的主节点故障，需要为该节点进行故障转移。假如节点A标记节点B为主观下线，一段时间后，节点A通过消息把节点B的状态发到其它节点，当节点C接受到消息并解析出消息体时，如果发现节点B的pfail状态时，会触发客观下线流程；当下线为主节点时，此时Redis Cluster集群为统计持有槽的主节点投票，看投票数是否达到一半，当下线报告统计数大于一半时，被标记为客观下线状态。流程如下：故障恢复：故障发现后，如果下线节点的是主节点，则需要在它的从节点中选一个替换它，以保证集群的高可用。流程如下：资格检查：检查从节点是否具备替换故障主节点的条件。准备选举时间：资格检查通过后，更新触发故障选举时间。发起选举：到了故障选举时间，进行选举。选举投票：只有持有槽的主节点才有票，从节点收集到足够的选票（大于一半），触发替换主节点操作分布式锁，是控制分布式系统不同进程共同访问共享资源的一种锁的实现。秒杀下单、抢红包等等业务场景，都需要用到分布式锁，我们项目中经常使用Redis作为分布式锁。选了Redis分布式锁的几种实现方法，大家来讨论下，看有没有啥问题哈。命令setnx + expire分开写setnx + value值是过期时间set的扩展命令（set ex px nx）set ex px nx + 校验唯一随机值,再删除如果执行完setnx加锁，正要执行expire设置过期时间时，进程crash掉或者要重启维护了，那这个锁就“长生不老”了，别的线程永远获取不到锁啦，所以分布式锁不能这么实现。笔者看过有开发小伙伴是这么实现分布式锁的，但是这种方案也有这些缺点：过期时间是客户端自己生成的，分布式环境下，每个客户端的时间必须同步。没有保存持有者的唯一标识，可能被别的客户端释放/解锁。锁过期的时候，并发多个客户端同时请求过来，都执行了jedis.getSet()，最终只能有一个客户端加锁成功，但是该客户端锁的过期时间，可能被别的客户端覆盖。这个方案可能存在这样的问题：锁过期释放了，业务还没执行完。锁被别的线程误删。在这里，判断当前线程加的锁和释放锁是不是一个原子操作。如果调用jedis.del()释放锁的时候，可能这把锁已经不属于当前客户端，会解除他人加的锁。一般也是用lua脚本代替。lua脚本如下：这种方式比较不错了，一般情况下，已经可以使用这种实现方式。但是存在锁过期释放了，业务还没执行完的问题（实际上，估算个业务处理的时间，一般没啥问题了）。分布式锁可能存在锁过期释放，业务没执行完的问题。有些小伙伴认为，稍微把锁过期时间设置长一些就可以啦。其实我们设想一下，是否可以给获得锁的线程，开启一个定时守护线程，每隔一段时间检查锁是否还存在，存在则对锁的过期时间延长，防止锁过期提前释放。当前开源框架Redisson就解决了这个分布式锁问题。我们一起来看下Redisson底层原理是怎样的吧：只要线程一加锁成功，就会启动一个watch dog看门狗，它是一个后台线程，会每隔10秒检查一下，如果线程1还持有锁，那么就会不断的延长锁key的生存时间。因此，Redisson就是使用Redisson解决了锁过期释放，业务没执行完问题。Redis一般都是集群部署的，假设数据在主从同步过程，主节点挂了，Redis分布式锁可能会有哪些问题呢？一起来看些这个流程图：如果线程一在Redis的master节点上拿到了锁，但是加锁的key还没同步到slave节点。恰好这时，master节点发生故障，一个slave节点就会升级为master节点。线程二就可以获取同个key的锁啦，但线程一也已经拿到锁了，锁的安全性就没了。为了解决这个问题，Redis作者 antirez提出一种高级的分布式锁算法：Redlock。Redlock核心思想是这样的：搞多个Redis master部署，以保证它们不会同时宕掉。并且这些master节点是完全相互独立的，相互之间不存在数据同步。同时，需要确保在这多个master实例上，是与在Redis单实例，使用相同方法来获取和释放锁。我们假设当前有5个Redis master节点，在5台服务器上面运行这些Redis实例。RedLock的实现步骤:如下1.获取当前时间，以毫秒为单位。2.按顺序向5个master节点请求加锁。客户端设置网络连接和响应超时时间，并且超时时间要小于锁的失效时间。（假设锁自动失效时间为10秒，则超时时间一般在5-50毫秒之间,我们就假设超时时间是50ms吧）。如果超时，跳过该master节点，尽快去尝试下一个master节点。3.客户端使用当前时间减去开始获取锁时间（即步骤1记录的时间），得到获取锁使用的时间。当且仅当超过一半（N/2+1，这里是5/2+1=3个节点）的Redis master节点都获得锁，并且使用的时间小于锁失效时间时，锁才算获取成功。（如上图，10s> 30ms+40ms+50免费主机域名ms+4m0s+50ms）如果取到了锁，key的真正有效时间就变啦，需要减去获取锁所使用的时间。如果获取锁失败（没有在至少N/2+1个master实例取到锁，有或者获取锁时间已经超过了有效时间），客户端要在所有的master节点上解锁（即便有些master节点根本就没有加锁成功，也需要解锁，以防止有些漏网之鱼）。简化下步骤就是：按顺序向5个master节点请求加锁根据设置的超时时间来判断，是不是要跳过该master节点。如果大于等于三个节点加锁成功，并且使用的时间小于锁的有效期，即可认定加锁成功啦。如果获取锁失败，解锁！跳跃表是有序集合zset的底层实现之一跳跃表支持平均O（logN）,最坏 O（N）复杂度的节点查找，还可以通过顺序性操作批量处理节点。跳跃表实现由zskiplist和zskiplistNode两个结构组成，其中zskiplist用于保存跳跃表信息（如表头节点、表尾节点、长度），而zskiplistNode则用于表示跳跃表节点。跳跃表就是在链表的基础上，增加多级索引提升查找效率。缓存延时双删删除缓存重试机制读取biglog异步删除缓存什么是延时双删呢？流程图如下：先删除缓存再更新数据库休眠一会（比如1秒），再次删除缓存。这个休眠一会，一般多久呢？都是1秒？这个休眠时间 = 读业务逻辑数据的耗时 + 几百毫秒。为了确保读请求结束，写请求可以删除读请求可能带来的缓存脏数据。这种方案还算可以，只有休眠那一会（比如就那1秒），可能有脏数据，一般业务也会接受的。但是如果第二次删除缓存失败呢？缓存和数据库的数据还是可能不一致，对吧？给Key设置一个自然的expire过期时间，让它自动过期怎样？那业务要接受过期时间内，数据的不一致咯？还是有其他更佳方案呢？因为延时双删可能会存在第二步的删除缓存失败，导致的数据不一致问题。可以使用这个方案优化：删除失败就多删除几次呀,保证删除缓存成功就可以了呀~ 所以可以引入删除缓存重试机制写请求更新数据库缓存因为某些原因，删除失败把删除失败的key放到消息队列消费消息队列的消息，获取要删除的key重试删除缓存操作重试删除缓存机制还可以吧，就是会造成好多业务代码入侵。其实，还可以这样优化：通过数据库的binlog来异步淘汰key。以mysql为例吧可以使用阿里的canal将binlog日志采集发送到MQ队列里面然后通过ACK机制确认处理这条更新消息，删除缓存，保证数据缓存一致性Redis6.0之前，Redis在处理客户端的请求时，包括读socket、解析、执行、写socket等都由一个顺序串行的主线程处理，这就是所谓的“单线程”。Redis6.0之前为什么一直不使用多线程？使用Redis时，几乎不存在CPU成为瓶颈的情况， Redis主要受限于内存和网络。例如在一个普通的Linux系统上，Redis通过使用pipelining每秒可以处理100万个请求，所以如果应用程序主要使用O(N)或O(log(N))的命令，它几乎不会占用太多CPU。redis使用多线程并非是完全摒弃单线程，redis还是使用单线程模型来处理客户端的请求，只是使用多线程来处理数据的读写和协议解析，执行命令还是使用单线程。这样做的目的是因为redis的性能瓶颈在于网络IO而非CPU，使用多线程能提升IO读写的效率，从而整体提高redis的性能。Redis通过MULTI、EXEC、WATCH等一组命令集合，来实现事务机制。事务支持一次执行多个命令，一个事务中所有命令都会被序列化。在事务执行过程，会按照顺序串行化执行队列中的命令，其他客户端提交的命令请求不会插入到事务执行命令序列中。简言之，Redis事务就是顺序性、一次性、排他性的执行一个队列中的一系列命令。Redis执行事务的流程如下：开始事务（MULTI）命令入队执行事务（EXEC）、撤销事务（DISCARD ）Redis 作为一个K-V的内存数据库，它使用用一张全局的哈希来保存所有的键值对。这张哈希表，有多个哈希桶组成，哈希桶中的entry元素保存了key和value指针，其中*key指向了实际的键，*value指向了实际的值。哈希表查找速率很快的，有点类似于Java中的HashMap，它让我们在O(1) 的时间复杂度快速找到键值对。首先通过key计算哈希值，找到对应的哈希桶位置，然后定位到entry，在entry找到对应的数据。什么是哈希冲突？哈希冲突： 通过不同的key，计算出一样的哈希值，导致落在同一个哈希桶中。Redis为了解决哈希冲突，采用了链式哈希。链式哈希是指同一个哈希桶中，多个元素用一个链表来保存，它们之间依次用指针连接。有些读者可能还会有疑问：哈希冲突链上的元素只能通过指针逐一查找再操作。当往哈希表插入数据很多，冲突也会越多，冲突链表就会越长，那查询效率就会降低了。为了保持高效，Redis 会对哈希表做rehash操作，也就是增加哈希桶，减少冲突。为了rehash更高效，Redis还默认使用了两个全局哈希表，一个用于当前使用，称为主哈希表，一个用于扩容，称为备用哈希表。可以的，Redis提供两个指令生成RDB，分别是save和bgsave。如果是save指令，会阻塞，因为是主线程执行的。如果是bgsave指令，是fork一个子进程来写入RDB文件的，快照持久化完全交给子进程来处理，父进程则可以继续处理客户端的请求。RESP，英文全称是Redis Serialization Protocol,它是专门为redis设计的一套序列化协议. 这个协议其实在redis的1.2版本时就已经出现了,但是到了redis2.0才最终成为redis通讯协议的标准。RESP主要有实现简单、解析速度快、可读性好等优点。应对缓存穿透问题，我们可以使用布隆过滤器。布隆过滤器是什么呢？布隆过滤器是一种占用空间很小的数据结构，它由一个很长的二进制向量和一组Hash映射函数组成，它用于检索一个元素是否在一个集合中，空间效率和查询时间都比一般的算法要好的多，缺点是有一定的误识别率和删除困难。布隆过滤器原理是？假设我们有个集合A，A中有n个元素。利用k个哈希散列函数，将A中的每个元素映射到一个长度为a位的数组B中的不同位置上，这些位置上的二进制数均设置为1。如果待检查的元素，经过这k个哈希散列函数的映射后，发现其k个位置上的二进制数全部为1，这个元素很可能属于集合A，反之，一定不属于集合A。来看个简单例子吧，假设集合A有3个元素，分别为{d1,d2,d3}。有1个哈希函数，为Hash2。现在将A的每个元素映射到长度为16位数组B。我们现在把d1映射过来，假设Hash2（d1）= 2，我们就把数组B中，下标为2的格子改成1，如下：我们现在把d2也映射过来，假设Hash2（d2）= 5，我们把数组B中，下标为5的格子也改成1，如下：接着我们把d3也映射过来，假设Hash2（d3）也等于 2，它也是把下标为2的格子标1：因此，我们要确认一个元素dn是否在集合A里，我们只要算出Hash2（dn）得到的索引下标，只要是0，那就表示这个元素不在集合A，如果索引下标是1呢？那该元素可能是A中的某一个元素。因为你看，d1和d3得到的下标值，都可能是1，还可能是其他别的数映射的，布隆过滤器是存在这个缺点的：会存在hash碰撞导致的假阳性，判断存在误差。如何减少这种误差呢？搞多几个哈希函数映射，降低哈希碰撞的概率同时增加B数组的bit长度，可以增大hash函数生成的数据的范围，也可以降低哈希碰撞的概率我们又增加一个Hash3哈希映射函数，假设Hash3（d1）=6,Hash3（d3）=8,它俩不就不冲突了嘛，如下：即使存在误差，我们可以发现，布隆过滤器并没有存放完整的数据，它只是运用一系列哈希映射函数计算出位置，然后填充二进制向量。如果数量很大的话，布隆过滤器通过极少的错误率，换取了存储空间的极大节省，还是挺划算的。目前布隆过滤器已经有相应实现的开源类库啦，如Google的Guava类库，Twitter的 Algebird 类库，信手拈来即可，或者基于Redis自带的Bitmaps自行实现设计也是可以的。看完上述内容，你们掌握什么是Redis以及其作用的方法了吗？如果还想学到更多技能或想了解更多相关内容，欢迎关注云技术行业资讯频道，感谢各位的阅读！

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