Redis闲谈（1）：构建知识图谱

场景：Redis面试

（图片来源于网络）

面试官： 我看到你的简历上说你熟练使用Redis，那么你讲一下Redis是干吗用的？

小明： （心中窃喜，Redis不就是缓存吗？）Redis主要用做缓存，经过内存高效地存储非持久化数据。

面试官： Redis能够用做持久化的存储吗？

小明 ：嗯...应该能够吧...

面试官： 那Redis怎么进行持久化操做呢？

小明：嗯...不是太清楚。

面试官： Redis的内存淘汰机制有哪些？

小明：嗯...没了解过

面试官：咱们还能够用Redis作哪些事情？分别利用了Redis的哪一个指令？

小明：我只知道Redis还能够作分布式锁、消息队列...

面试官：好了，咱们进入下一个话题...

思考：很明显，小明同窗在面试过程当中关于Redis的表现和回答确定是比较失败的。Redis是咱们工做中天天都会使用到的东西，为何一到面试却变成了丢分项呢？

做为开发者，咱们习惯了使用大神们已经封装好的东西，以此保障咱们可以更专一于业务开发，殊不知道这些经常使用工具的底层实现是什么，所以尽管平时应用起来驾轻就熟，但一到面试仍是没法让面试官眼前一亮。

本文总结了一些Redis的知识点，有原理有应用，但愿能够帮助到你们。

1、Redis是什么

REmote DIctionary Server(Redis) 是一个由Salvatore Sanfilippo写的key-value存储系统。

Redis是一个开源的使用ANSI 、C语言编写、遵照BSD协议、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。

这里我引用了Redis教程里对Redis的描述，很官方，可是很标准。

**可基于内存亦可持久化的日志型、Key-Value数据库。**

我认为这个描述很贴切很全面。

1.1 Redis的行业地位

Redis是互联网技术领域使用最为普遍的存储中间件，因超高的性能、完美的文档、多方面的应用能力以及丰富完善的客户端支持在存储方面独当一面，广受好评，尤为以其性能和读取速度而成为了领域中最受青睐的中间件。基本上每个软件公司都会使用Redis，其中包括不少大型互联网公司，好比京东、阿里、腾讯、github等。所以，Redis也成为了后端开发人员必不可少的技能。

1.2 知识图谱

在我看来，学习每一项技术，都须要有一个清晰的脉络和结构，否则你也不知道本身会了哪些、还有多少没学会。就像一本书，若是没有目录章节，也就失去了灵魂。

所以我试图总结出Redis的知识图谱，也称为脑图，以下图所示，可能知识点不是很全，后续会不断更新补充。

本系列文章的知识点也会和这个脑图基本一致，本文先介绍Redis的基本知识，后续文章会详细介绍Redis的数据结构、应用、持久化等多个方面。

2、Redis优势

2.1 速度快

做为缓存工具，Redis最广为人知的特色就是快，到底有多快呢？Redis单机qps（每秒的并发）能够达到110000次/s，写的速度是81000次/s。
那么，Redis为何这么快呢？

• 绝大部分请求是纯粹的内存操做，很是快速；
• 使用了不少查找操做都特别快的数据结构进行数据存储，Redis中的数据结构是专门设计的。如HashMap，查找、插入的时间复杂度都是O(1)；
• 采用单线程，避免了没必要要的上下文切换和竞争条件，也不存在多进程或者多线程致使的切换而消耗CPU，不用去考虑各类锁的问题，不存在加锁、释放锁操做，没有由于可能出现死锁而致使的性能消耗；
• 用到了非阻塞I/O多路复用机制。

2.2 丰富的数据类型

Redis有5种经常使用的数据类型：String、List、Hash、set、zset，每种数据类型都有本身的用处。

2.3 原子性，支持事务

Redis支持事务，而且它的全部操做都是原子性的，同时Redis还支持对几个操做合并后的原子性执行。

2.4 丰富的特性

Redis具备丰富的特性，好比能够用做分布式锁；能够持久化数据；能够用做消息队列、排行榜、计数器；还支持publish/subscribe、通知、key过时等等。当咱们要用中间件来解决实际问题的时候，Redis总能发挥出本身的用处。

3、Redis和Memcache对比

Memcache和Redis都是优秀的、高性能的内存数据库，通常咱们说到Redis的时候，都会拿Memcache来和Redis作对比。（为何要作对比呢？固然是要陪衬出Redis有多好，没有对比，就没有伤害~）对比的方面包括：

3.1 存储方式

• Memcache把数据所有存在内存之中，断电后会挂掉，没法作到数据的持久化，且数据不能超过内存大小。
• Redis有一部分数据存在硬盘上，能够作到数据的持久性。

3.2 数据支持类型

• Memcache对数据类型支持相对简单，只支持String类型的数据结构。
• Redis有丰富的数据类型，包括：String、List、Hash、Set、Zset。

3.3 使用的底层模型

• 它们之间底层实现方式以及与客户端之间通讯的应用协议不同。
• Redis直接本身构建了VM机制 ，由于通常的系统调用系统函数，会浪费必定的时间去移动和请求。

3.4 存储值大小

• Redis最大能够存储1GB，而memcache只有1MB。

看到这里，会不会以为Redis特别好，全是优势，天衣无缝？其实Redis仍是有不少缺点的，这些缺点日常咱们该如何克服呢？

4、Redis存在的问题及解决方案

4.1 缓存数据库的双写一致性的问题

问题：一致性的问题是分布式系统中很常见的问题。一致性通常分为两种：强一致性和最终一致性，当咱们要知足强一致性的时候，Redis也没法作到完美无瑕，由于数据库和缓存双写，确定会出现不一致的状况，Redis只能保证最终一致性。

解决：咱们如何保证最终一致性呢？

• 第一种方式是给缓存设置必定的过时时间，在缓存过时以后会自动查询数据库，保证数据库和缓存的一致性。
• 若是不设置过时时间的话，咱们首先要选取正确的更新策略：先更新数据库再删除缓存。但咱们删除缓存的时候也可能出现某些问题，因此须要将要删除的缓存的key放到消息队列中去，不断重试，直到删除成功为止。

4.2 缓存雪崩问题

问题： 咱们应该都在电影里看到过雪崩，开始很平静，而后一瞬间就开始崩塌，具备很强的毁灭性。这里也是同样的，咱们执行代码的时候将不少缓存的实效时间设定成同样，接着这些缓存在同一时间都会实效，而后都会从新访问数据库更新数据，这样会致使数据库链接数过多、压力过大而崩溃。

解决：

• 设置缓存过时时间的时候加一个随机值。
• 设置双缓存，缓存1设置缓存时间，缓存2不设置，1过时后直接返回缓存2，而且启动一个进程去更新缓存1和2。

4.3 缓存穿透问题

问题： 缓存穿透是指一些非正经常使用户(黑客)故意去请求缓存中不存在的数据，致使全部的请求都集中到到数据库上，从而致使数据库链接异常。

解决:

• 利用互斥锁。缓存失效的时候，不能直接访问数据库，而是要先获取到锁，才能去请求数据库。没获得锁，则休眠一段时间后重试。
• 采用异步更新策略。不管key是否取到值，都直接返回。value值中维护一个缓存失效时间，缓存若是过时，异步起一个线程去读数据库，更新缓存。须要作缓存预热(项目启动前，先加载缓存)操做。
• 提供一个能迅速判断请求是否有效的拦截机制。好比利用布隆过滤器，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。若是不合法，则直接返回。

4.4 缓存的并发竞争问题

问题：

缓存并发竞争的问题，主要发生在多线程对某个key进行set的时候，这时会出现数据不一致的状况。

好比Redis中咱们存着一个key为amount的值，它的value是100，两个线程同时都对value加100而后更新，正确的结果应该是变为300。可是两个线程拿到这个值的时候都是100，最后结果也就是200，这就致使了缓存的并发竞争问题。

解决

• 若是多线程操做没有顺序要求的话，咱们能够设置一个分布式锁，而后多个线程去争夺锁，谁先抢到锁谁就能够先执行。这个分布式锁能够用zookeeper或者Redis自己去实现。
• 能够利用Redis的incr命令。
• 当咱们的多线程操做须要顺序的时候，咱们能够设置一个消息队列，把须要的操做加到消息队列中去，严格按照队列的前后执行命令。

5、Redis的过时策略

Redis随着数据的增多，内存占用率会持续变高，咱们觉得一些键到达设置的删除时间就会被删除，可是时间到了，内存的占用率仍是很高，这是为何呢？

Redis采用的是按期删除和惰性删除的内存淘汰机制。

5.1 按期删除

按期删除和定时删除是有区别的：

• 定时删除是必须严格按照设定的时间去删除缓存，这就须要咱们设置一个定时器去不断地轮询全部的key，判断是否须要进行删除。可是这样的话cpu的资源会被大幅度地占据，资源的利用率变低。因此咱们选择采用按期删除，。
• 按期删除是时间由咱们定，咱们能够每隔100ms进行检查，但仍是不能检查全部的缓存，Redis仍是会卡死，只能随机地去检查一部分缓存，可是这样会有一些缓存没法在规定时间内删除。这时惰性删除就派上用场了。

5.2 惰性删除

举个简单的例子：中学的时候，平时做业太多，根本作不完，老师说下节课要讲这个卷子，大家都作完了吧？其实有不少人没作完，因此须要在下节课以前赶忙补上。

惰性删除也是这个道理，咱们的这个值按理说应该没了，可是它还在，当你要获取这个key的时候，发现这个key应该过时了，赶忙删了，而后返回一个'没有这个值，已通过期了!'。

如今咱们有了按期删除 + 惰性删除的过时策略，就能够高枕无忧了吗？并非这样的，若是这个key一直不访问，那么它会一直滞留，也是不合理的，这就须要咱们的内存淘汰机制了。

5.3 Redis的内存淘汰机制

Redis的内存淘汰机制通常有6种，以下图所示：

那么咱们如何去配置Redis的内存淘汰机制呢？

在Redis.conf中咱们能够进行配置

# maxmemory-policy allkeys-lru

6、小结

本文初探Redis，大概整理出了Redis的知识图谱，对照之下能够发现Redis竟然有这么多的知识点须要学习；接着咱们分析了Redis的优缺点，知道了其基于内存的高效的读写速度和丰富的数据类型，也分析了Redis面对数据一致性、缓存穿透、缓存雪崩等问题时该如何处理；最后咱们了解了Redis的过时策略和缓存淘汰机制。

相信你们已经对Redis有了一些了解，下篇文章咱们将分析Redis的数据结构、每一种数据类型是如何实现的、对应的命令有哪些。

做者：杨亨
来源：宜信技术学院