Redis閑談（1）：構建知識圖譜

場景：Redis面試

（圖片來源于網絡）

面試官： 我看到你的簡歷上說你熟練使用Redis，那么你講一下Redis是干嘛用的？

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

面試官： Redis可以用作持久化的存儲嗎？

小明 ：嗯...應該可以吧...

面試官： 那Redis怎么進行持久化操作呢？

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：我們還可以用Redis做哪些事情？分別利用了Redis的哪個指令？

小明：我只知道Redis還可以做分布式鎖、消息隊列...

面試官：好了，我們進入下一個話題...

思考：很明顯，小明同學在面試過程中關于Redis的表現和回答肯定是比較失敗的。Redis是我們工作中每天都會使用到的東西，為什么一到面試卻變成了丟分項呢？

作為開發者，我們習慣了使用大神們已經封裝好的東西，以此保障我們能夠更專注于業務開發，卻不知道這些常用工具的底層實現是什么，因此盡管平時應用起來得心應手，但一到面試還是無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，希望可以幫助到大家。

一、Redis是什么

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、遵守BSD協議、支持網絡、可基于內存亦可持久化的日志型、Key-Value數據庫，并提供多種語言的API。

這里我引用了Redis教程里對Redis的描述，很官方，但是很標準。
可基于內存亦可持久化的日志型、Key-Value數據庫。
我認為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為廣泛的存儲中間件，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，尤其以其性能和讀取速度而成為了領域中最受青睞的中間件。基本上每一個軟件公司都會使用Redis，其中包括很多大型互聯網公司，比如京東、阿里、騰訊、github等。因此，Redis也成為了后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，都需要有一個清晰的脈絡和結構，不然你也不知道自己會了哪些、還有多少沒學會。就像一本書，如果沒有目錄章節，也就失去了靈魂。

因此我試圖總結出Redis的知識圖譜，也稱為腦圖，如下圖所示，可能知識點不是很全，后續會不斷更新補充。

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，后續文章會詳細介紹Redis的數據結構、應用、持久化等多個方面。

二、Redis優點

2.1 速度快

作為緩存工具，Redis最廣為人知的特點就是快，到底有多快呢？Redis單機qps（每秒的并發）可以達到110000次/s，寫的速度是81000次/s。
那么，Redis為什么這么快呢？

• 絕大部分請求是純粹的內存操作，非常快速；
• 使用了很多查找操作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、插入的時間復雜度都是O(1)；
• 采用單線程，避免了不必要的上下文切換和競爭條件，也不存在多進程或者多線程導致的切換而消耗CPU，不用去考慮各種鎖的問題，不存在加鎖、釋放鎖操作，沒有因為可能出現死鎖而導致的性能消耗；
• 用到了非阻塞I/O多路復用機制。

2.2 豐富的數據類型

Redis有5種常用的數據類型：String、List、Hash、set、zset，每種數據類型都有自己的用處。

2.3 原子性，支持事務

Redis支持事務，并且它的所有操作都是原子性的，同時Redis還支持對幾個操作合并后的原子性執行。

2.4 豐富的特性

Redis具有豐富的特性，比如可以用作分布式鎖；可以持久化數據；可以用作消息隊列、排行榜、計數器；還支持publish/subscribe、通知、key過期等等。當我們要用中間件來解決實際問題的時候，Redis總能發揮出自己的用處。

三、Redis和Memcache對比

Memcache和Redis都是優秀的、高性能的內存數據庫，一般我們說到Redis的時候，都會拿Memcache來和Redis做對比。（為什么要做對比呢？當然是要襯托出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把數據全部存在內存之中，斷電后會掛掉，無法做到數據的持久化，且數據不能超過內存大小。

• Redis有一部分數據存在硬盤上，可以做到數據的持久性。

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信的應用協議不一樣。

• Redis直接自己構建了VM機制 ，因為一般的系統調用系統函數，會浪費一定的時間去移動和請求。

3.4 存儲值大小

• Redis最大可以存儲1GB，而memcache只有1MB。

看到這里，會不會覺得Redis特別好，全是優點，完美無缺？其實Redis還是有很多缺點的，這些缺點平常我們該如何克服呢？

四、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：一致性的問題是分布式系統中很常見的問題。一致性一般分為兩種：強一致性和最終一致性，當我們要滿足強一致性的時候，Redis也無法做到完美無瑕，因為數據庫和緩存雙寫，肯定會出現不一致的情況，Redis只能保證最終一致性。

解決：我們如何保證最終一致性呢？

• 第一種方式是給緩存設置一定的過期時間，在緩存過期之后會自動查詢數據庫，保證數據庫和緩存的一致性。

• 如果不設置過期時間的話，我們首先要選取正確的更新策略：先更新數據庫再刪除緩存。但我們刪除緩存的時候也可能出現某些問題，所以需要將要刪除的緩存的key放到消息隊列中去，不斷重試，直到刪除成功為止。

4.2 緩存雪崩問題

問題： 我們應該都在電影里看到過雪崩，開始很平靜，然后一瞬間就開始崩塌，具有很強的毀滅性。這里也是一樣的，我們執行代碼的時候將很多緩存的實效時間設定成一樣，接著這些緩存在同一時間都會實效，然后都會重新訪問數據庫更新數據，這樣會導致數據庫連接數過多、壓力過大而崩潰。

解決：

• 設置緩存過期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過期后直接返回緩存2，并且啟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常用戶(***)故意去請求緩存中不存在的數據，導致所有的請求都集中到到數據庫上，從而導致數據庫連接異常。

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。沒得到鎖，則休眠一段時間后重試。

• 采用異步更新策略。無論key是否取到值，都直接返回。value值中維護一個緩存失效時間，緩存如果過期，異步起一個線程去讀數據庫，更新緩存。需要做緩存預熱(項目啟動前，先加載緩存)操作。

• 提供一個能迅速判斷請求是否有效的攔截機制。比如利用布隆過濾器，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。如果不合法，則直接返回。

4.4 緩存的并發競爭問題

問題：

緩存并發競爭的問題，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情況。

比如Redis中我們存著一個key為amount的值，它的value是100，兩個線程同時都對value加100然后更新，正確的結果應該是變為300。但是兩個線程拿到這個值的時候都是100，最后結果也就是200，這就導致了緩存的并發競爭問題。

解決

• 如果多線程操作沒有順序要求的話，我們可以設置一個分布式鎖，然后多個線程去爭奪鎖，誰先搶到鎖誰就可以先執行。這個分布式鎖可以用zookeeper或者Redis本身去實現。
• 可以利用Redis的incr命令。
• 當我們的多線程操作需要順序的時候，我們可以設置一個消息隊列，把需要的操作加到消息隊列中去，嚴格按照隊列的先后執行命令。

五、Redis的過期策略

Redis隨著數據的增多，內存占用率會持續變高，我們以為一些鍵到達設置的刪除時間就會被刪除，但是時間到了，內存的占用率還是很高，這是為什么呢？

Redis采用的是定期刪除和惰性刪除的內存淘汰機制。

5.1 定期刪除

定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，這就需要我們設置一個定時器去不斷地輪詢所有的key，判斷是否需要進行刪除。但是這樣的話cpu的資源會被大幅度地占據，資源的利用率變低。所以我們選擇采用定期刪除，。

• 定期刪除是時間由我們定，我們可以每隔100ms進行檢查，但還是不能檢查所有的緩存，Redis還是會卡死，只能隨機地去檢查一部分緩存，但是這樣會有一些緩存無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，平時作業太多，根本做不完，老師說下節課要講這個卷子，你們都做完了吧？其實有很多人沒做完，所以需要在下節課之前趕緊補上。

惰性刪除也是這個道理，我們的這個值按理說應該沒了，但是它還在，當你要獲取這個key的時候，發現這個key應該過期了，趕緊刪了，然后返回一個'沒有這個值，已經過期了!'。

現在我們有了定期刪除 + 惰性刪除的過期策略，就可以高枕無憂了嗎？并不是這樣的，如果這個key一直不訪問，那么它會一直滯留，也是不合理的，這就需要我們的內存淘汰機制了。

5.3 Redis的內存淘汰機制

Redis的內存淘汰機制一般有6種，如下圖所示：

那么我們如何去配置Redis的內存淘汰機制呢？

在Redis.conf中我們可以進行配置

# maxmemory-policy allkeys-lru

六、小結

本文初探Redis，大概整理出了Redis的知識圖譜，對照之下可以發現Redis居然有這么多的知識點需要學習；接著我們分析了Redis的優缺點，知道了其基于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；最后我們了解了Redis的過期策略和緩存淘汰機制。

相信大家已經對Redis有了一些了解，下篇文章我們將分析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。

作者：楊亨

來源：宜信技術學院