Redis学习笔记(二)

1. 说一说Redis集群的应用和优劣势

参考答案

优势：

Redis Cluster是Redis的分布式解决方案，在3.0版本正式推出，有效地解决了Redis分布式方面的需求。当遇到单机内存、并发、流量等瓶颈时，可以采用Cluster架构方案达到负载均衡的目的。

劣势：

Redis集群方案在扩展了Redis处理能力的同时，也带来了一些使用上的限制：

key批量操作支持有限。如mset、mget，目前只支持具有相同slot值的key执行批量操作。对于映射为不同slot值的key由于执行mset、mget等操作可能存在于多个节点上所以不被支持。
key事务操作支持有限。同理只支持多key在同一节点上的事务操作，当多个key分布在不同的节点上时无法使用事务功能。
key作为数据分区的最小粒度，因此不能将一个大的键值对象（如hash、list等）映射到不同的节点。
不支持多数据库空间。单机下的Redis可以支持16个数据库，集群模式下只能使用一个数据库空间，即DB0。
复制结构只支持一层，从节点只能复制主节点，不支持嵌套树状复制结构。

2.说一说hash类型底层的数据结构

参考答案

哈希对象有两种编码方案，当同时满足以下条件时，哈希对象采用ziplist编码，否则采用hashtable编码：

哈希对象保存的键值对数量小于512个；
哈希对象保存的所有键值对中的键和值，其字符串长度都小于64字节。

其中，ziplist编码采用压缩列表作为底层实现，而hashtable编码采用字典作为底层实现。

压缩列表：

压缩列表（ziplist），是Redis为了节约内存而设计的一种线性数据结构，它是由一系列具有特殊编码的连续内存块构成的。一个压缩列表可以包含任意多个节点，每个节点可以保存一个字节数组或一个整数值。

压缩列表的结构如下图所示：

该结构当中的字段含义如下表所示：

属性	类型	长度	说明
zlbytes	uint32_t	4字节	压缩列表占用的内存字节数；
zltail	uint32_t	4字节	压缩列表表尾节点距离列表起始地址的偏移量（单位字节）；
zllen	uint16_t	2字节	压缩列表包含的节点数量，等于UINT16_MAX时，需遍历列表计算真实数量；
entryX	列表节点	不固定	压缩列表包含的节点，节点的长度由节点所保存的内容决定；
zlend	uint8_t	1字节	压缩列表的结尾标识，是一个固定值0xFF；

其中，压缩列表的节点由以下字段构成：

previous_entry_length（pel）属性以字节为单位，记录当前节点的前一节点的长度，其自身占据1字节或5字节：

如果前一节点的长度小于254字节，则“pel”属性的长度为1字节，前一节点的长度就保存在这一个字节内；
如果前一节点的长度达到254字节，则“pel”属性的长度为5字节，其中第一个字节被设置为0xFE，之后的四个字节用来保存前一节点的长度；

基于“pel”属性，程序便可以通过指针运算，根据当前节点的起始地址计算出前一节点的起始地址，从而实现从表尾向表头的遍历操作。

content属性负责保存节点的值（字节数组或整数），其类型和长度则由encoding属性决定，它们的关系如下：

encoding	长度	content
00 xxxxxx	1字节	最大长度为26 -1的字节数组；
01 xxxxxx bbbbbbbb	2字节	最大长度为214-1的字节数组；
10 __ bbbbbbbb ... ... ...	5字节	最大长度为232-1的字节数组；
11 000000	1字节	int16_t类型的整数；
11 010000	1字节	int32_t类型的整数；
11 100000	1字节	int64_t类型的整数；
11 110000	1字节	24位有符号整数；
11 111110	1字节	8位有符号整数；
11 11xxxx	1字节	没有content属性，xxxx直接存[0,12]范围的整数值；

字典：

字典（dict）又称为散列表，是一种用来存储键值对的数据结构。C语言没有内置这种数据结构，所以Redis构建了自己的字典实现。

Redis字典的实现主要涉及三个结构体：字典、哈希表、哈希表节点。其中，每个哈希表节点保存一个键值对，每个哈希表由多个哈希表节点构成，而字典则是对哈希表的进一步封装。这三个结构体的关系如下图所示：

其中，dict代表字典，dictht代表哈希表，dictEntry代表哈希表节点。可以看出，dictEntry是一个数组，这很好理解，因为一个哈希表里要包含多个哈希表节点。而dict里包含2个dictht，多出的哈希表用于REHASH。当哈希表保存的键值对数量过多或过少时，需要对哈希表的大小进行扩展或收缩操作，在Redis中，扩展和收缩哈希表是通过REHASH实现的，执行REHASH的大致步骤如下：

为字典的ht[1]哈希表分配内存空间

如果执行的是扩展操作，则ht[1]的大小为第1个大于等于ht[0].used*2的2n。如果执行的是收缩操作，则ht[1]的大小为第1个大于等于ht[0].used的2n。
将存储在ht[0]中的数据迁移到ht[1]上

重新计算键的哈希值和索引值，然后将键值对放置到ht[1]哈希表的指定位置上。
将字典的ht[1]哈希表晋升为默认哈希表

迁移完成后，清空ht[0]，再交换ht[0]和ht[1]的值，为下一次REHASH做准备。

当满足以下任何一个条件时，程序会自动开始对哈希表执行扩展操作：

服务器目前没有执行bgsave或bgrewriteof命令，并且哈希表的负载因子大于等于1；
服务器目前正在执行bgsave或bgrewriteof命令，并且哈希表的负载因子大于等于5。

为了避免REHASH对服务器性能造成影响，REHASH操作不是一次性地完成的，而是分多次、渐进式地完成的。渐进式REHASH的详细过程如下：

为ht[1]分配空间，让字典同时持有ht[0]和ht[1]两个哈希表；
在字典中的索引计数器rehashidx设置为0，表示REHASH操作正式开始；
在REHASH期间，每次对字典执行添加、删除、修改、查找操作时，程序除了执行指定的操作外，还会顺带将ht[0]中位于rehashidx上的所有键值对迁移到ht[1]中，再将rehashidx的值加1；
随着字典不断被访问，最终在某个时刻，ht[0]上的所有键值对都被迁移到ht[1]上，此时程序将rehashidx属性值设置为-1，标识REHASH操作完成。

REHSH期间，字典同时持有两个哈希表，此时的访问将按照如下原则处理：

新添加的键值对，一律被保存到ht[1]中；
删除、修改、查找等其他操作，会在两个哈希表上进行，即程序先尝试去ht[0]中访问要操作的数据，若不存在则到ht[1]中访问，再对访问到的数据做相应的处理。

3.介绍一下zset类型底层的数据结构

参考答案

有序集合对象有2种编码方案，当同时满足以下条件时，集合对象采用ziplist编码，否则采用skiplist编码：

有序集合保存的元素数量不超过128个；
有序集合保存的所有元素的成员长度都小于64字节。

其中，ziplist编码的有序集合采用压缩列表作为底层实现，skiplist编码的有序集合采用zset结构作为底层实现。

其中，zset是一个复合结构，它的内部采用字典和跳跃表来实现，其源码如下。其中，dict保存了从成员到分支的映射关系，zsl则按分值由小到大保存了所有的集合元素。这样，当按照成员来访问有序集合时可以直接从dict中取值，当按照分值的范围访问有序集合时可以直接从zsl中取值，采用了空间换时间的策略以提高访问效率。

typedef struct zset {     dict *dict;  // 字典，保存了从成员到分值的映射关系；     zskiplist *zsl; // 跳跃表，按分值由小到大保存所有集合元素； } zset;

综上，zset对象的底层数据结构包括：压缩列表、字典、跳跃表。

压缩列表：

压缩列表的结构如下图所示：

该结构当中的字段含义如下表所示：

属性	类型	长度	说明
zlbytes	uint32_t	4字节	压缩列表占用的内存字节数；
zltail	uint32_t	4字节	压缩列表表尾节点距离列表起始地址的偏移量（单位字节）；
zllen	uint16_t	2字节	压缩列表包含的节点数量，等于UINT16_MAX时，需遍历列表计算真实数量；
entryX	列表节点	不固定	压缩列表包含的节点，节点的长度由节点所保存的内容决定；
zlend	uint8_t	1字节	压缩列表的结尾标识，是一个固定值0xFF；

其中，压缩列表的节点由以下字段构成：

previous_entry_length（pel）属性以字节为单位，记录当前节点的前一节点的长度，其自身占据1字节或5字节：

如果前一节点的长度小于254字节，则“pel”属性的长度为1字节，前一节点的长度就保存在这一个字节内；
如果前一节点的长度达到254字节，则“pel”属性的长度为5字节，其中第一个字节被设置为0xFE，之后的四个字节用来保存前一节点的长度；

基于“pel”属性，程序便可以通过指针运算，根据当前节点的起始地址计算出前一节点的起始地址，从而实现从表尾向表头的遍历操作。

content属性负责保存节点的值（字节数组或整数），其类型和长度则由encoding属性决定，它们的关系如下：

encoding	长度	content
00 xxxxxx	1字节	最大长度为26 -1的字节数组；
01 xxxxxx bbbbbbbb	2字节	最大长度为214-1的字节数组；
10 __ bbbbbbbb ... ... ...	5字节	最大长度为232-1的字节数组；
11 000000	1字节	int16_t类型的整数；
11 010000	1字节	int32_t类型的整数；
11 100000	1字节	int64_t类型的整数；
11 110000	1字节	24位有符号整数；
11 111110	1字节	8位有符号整数；
11 11xxxx	1字节	没有content属性，xxxx直接存[0,12]范围的整数值；

字典：

字典（dict）又称为散列表，是一种用来存储键值对的数据结构。C语言没有内置这种数据结构，所以Redis构建了自己的字典实现。

为字典的ht[1]哈希表分配内存空间

如果执行的是扩展操作，则ht[1]的大小为第1个大于等于ht[0].used*2的2n。如果执行的是收缩操作，则ht[1]的大小为第1个大于等于ht[0].used的2n。
将存储在ht[0]中的数据迁移到ht[1]上

重新计算键的哈希值和索引值，然后将键值对放置到ht[1]哈希表的指定位置上。
将字典的ht[1]哈希表晋升为默认哈希表

迁移完成后，清空ht[0]，再交换ht[0]和ht[1]的值，为下一次REHASH做准备。

当满足以下任何一个条件时，程序会自动开始对哈希表执行扩展操作：

服务器目前没有执行bgsave或bgrewriteof命令，并且哈希表的负载因子大于等于1；
服务器目前正在执行bgsave或bgrewriteof命令，并且哈希表的负载因子大于等于5。

为了避免REHASH对服务器性能造成影响，REHASH操作不是一次性地完成的，而是分多次、渐进式地完成的。渐进式REHASH的详细过程如下：

为ht[1]分配空间，让字典同时持有ht[0]和ht[1]两个哈希表；
在字典中的索引计数器rehashidx设置为0，表示REHASH操作正式开始；
在REHASH期间，每次对字典执行添加、删除、修改、查找操作时，程序除了执行指定的操作外，还会顺带将ht[0]中位于rehashidx上的所有键值对迁移到ht[1]中，再将rehashidx的值加1；
随着字典不断被访问，最终在某个时刻，ht[0]上的所有键值对都被迁移到ht[1]上，此时程序将rehashidx属性值设置为-1，标识REHASH操作完成。

REHSH期间，字典同时持有两个哈希表，此时的访问将按照如下原则处理：

新添加的键值对，一律被保存到ht[1]中；
删除、修改、查找等其他操作，会在两个哈希表上进行，即程序先尝试去ht[0]中访问要操作的数据，若不存在则到ht[1]中访问，再对访问到的数据做相应的处理。

跳跃表：

跳跃表的查找复杂度为平均O(logN)，最坏O(N)，效率堪比红黑树，却远比红黑树实现简单。跳跃表是在链表的基础上，通过增加索引来提高查找效率的。

有序链表插入、删除的复杂度为O(1)，而查找的复杂度为O(N)。例：若要查找值为60的元素，需要从第1个元素依次向后比较，共需比较6次才行，如下图：

跳跃表是从有序链表中选取部分节点，组成一个新链表，并以此作为原始链表的一级索引。再从一级索引中选取部分节点，组成一个新链表，并以此作为原始链表的二级索引。以此类推，可以有多级索引，如下图：

跳跃表在查找时，优先从高层开始查找，若next节点值大于目标值，或next指针指向NULL，则从当前节点下降一层继续向后查找，这样便可以提高查找的效率了。

跳跃表的实现主要涉及2个结构体：zskiplist、zskiplistNode，它们的关系如下图所示：

其中，蓝色的表格代表zskiplist，红色的表格代表zskiplistNode。zskiplist有指向头尾节点的指针，以及列表的长度，列表中最高的层级。zskiplistNode的头节点是空的，它不存储任何真实的数据，它拥有最高的层级，但这个层级不记录在zskiplist之内。

4.如何利用Redis实现分布式Session？

参考答案

在web开发中，我们会把用户的登录信息存储在session里。而session是依赖于cookie的，即服务器创建session时会给它分配一个唯一的ID，并且在响应时创建一个cookie用于存储这个SESSIONID。当客户端收到这个cookie之后，就会自动保存这个SESSIONID，并且在下次访问时自动携带这个SESSIONID，届时服务器就可以通过这个SESSIONID得到与之对应的session，从而识别用户的身。如下图：

现在的互联网应用，基本都是采用分布式部署方式，即将应用程序部署在多台服务器上，并通过nginx做统一的请求分发。而服务器与服务器之间是隔离的，它们的session是不共享的，这就存在session同步的问题了，如下图：

如果客户端第一次访问服务器，请求被分发到了服务器A上，则服务器A会为该客户端创建session。如果客户端再次访问服务器，请求被分发到服务器B上，则由于服务器B中没有这个session，所以用户的身份无法得到验证，从而产生了不一致的问题。

解决这个问题的办法有很多，比如可以协调多个服务器，让他们的session保持同步。也可以在分发请求时做绑定处理，即将某一个IP固定分配给同一个服务器。但这些方式都比较麻烦，而且性能上也有一定的消耗。更合理的方式就是采用类似于Redis这样的高性能缓存服务器，来实现分布式session。

从上面的叙述可知，我们使用session保存用户的身份信息，本质上是要做两件事情。第一是保存用户的身份信息，第二是验证用户的身份信息。如果利用其它手段实现这两个目标，那么就可以不用session，或者说我们使用的是广义上的session了。

具体实现的思路如下图，我们在服务端增加两段程序：

第一是创建令牌的程序，就是在用户初次访问服务器时，给它创建一个唯一的身份标识，并且使用cookie封装这个标识再发送给客户端。那么当客户端下次再访问服务器时，就会自动携带这个身份标识了，这和SESSIONID的道理是一样的，只是改由我们自己来实现了。另外，在返回令牌之前，我们需要将它存储起来，以便于后续的验证。而这个令牌是不能保存在服务器本地的，因为其他服务器无法访问它。因此，我们可以将其存储在服务器之外的一个地方，那么Redis便是一个理想的场所。

第二是验证令牌的程序，就是在用户再次访问服务器时，我们获取到了它之前的身份标识，那么我们就要验证一下这个标识是否存在了。验证的过程很简单，我们从Redis中尝试获取一下就可以知道结果。

5. 如何利用Redis实现一个分布式锁？

参考答案

何时需要分布式锁？

在分布式的环境下，当多个server并发修改同一个资源时，为了避免竞争就需要使用分布式锁。那为什么不能使用Java自带的锁呢？因为Java中的锁是面向多线程设计的，它只局限于当前的JRE环境。而多个server实际上是多进程，是不同的JRE环境，所以Java自带的锁机制在这个场景下是无效的。

如何实现分布式锁？

采用Redis实现分布式锁，就是在Redis里存一份代表锁的数据，通常用字符串即可。实现分布式锁的思路，以及优化的过程如下：

加锁：

第一版，这种方式的缺点是容易产生死锁，因为客户端有可能忘记解锁，或者解锁失败。
```
setnx key value
```
第二版，给锁增加了过期时间，避免出现死锁。但这两个命令不是原子的，第二步可能会失败，依然无法避免死锁问题。
```
setnx key value expire key seconds
```
第三版，通过“set...nx...”命令，将加锁、过期命令编排到一起，它们是原子操作了，可以避免死锁。
```
set key value nx ex seconds 
```
解锁：

解锁就是删除代表锁的那份数据。
```
del key
```
问题：

看起来已经很完美了，但实际上还有隐患，如下图。进程A在任务没有执行完毕时，锁已经到期被释放了。等进程A的任务执行结束后，它依然会尝试释放锁，因为它的代码逻辑就是任务结束后释放锁。但是，它的锁早已自动释放过了，它此时释放的可能是其他线程的锁。

想要解决这个问题，我们需要解决两件事情：

在加锁时就要给锁设置一个标识，进程要记住这个标识。当进程解锁的时候，要进行判断，是自己持有的锁才能释放，否则不能释放。可以为key赋一个随机值，来充当进程的标识。
解锁时要先判断、再释放，这两步需要保证原子性，否则第二步失败的话，就会出现死锁。而获取和删除命令不是原子的，这就需要采用Lua脚本，通过Lua脚本将两个命令编排在一起，而整个Lua脚本的执行是原子的。

按照以上思路，优化后的命令如下：

# 加锁 set key random-value nx ex seconds   # 解锁 if redis.call("get",KEYS[1]) == ARGV[1] then     return redis.call("del",KEYS[1]) else     return 0 end

基于RedLock算法的分布式锁：

上述分布式锁的实现方案，是建立在单个主节点之上的。它的潜在问题如下图所示，如果进程A在主节点上加锁成功，然后这个主节点宕机了，则从节点将会晋升为主节点。若此时进程B在新的主节点上加锁成果，之后原主节点重启，成为了从节点，系统中将同时出现两把锁，这是违背锁的唯一性原则的。

总之，就是在单个主节点的架构上实现分布式锁，是无法保证高可用的。若要保证分布式锁的高可用，则可以采用多个节点的实现方案。这种方案有很多，而Redis的官方给出的建议是采用RedLock算法的实现方案。该算法基于多个Redis节点，它的基本逻辑如下：

这些节点相互独立，不存在主从复制或者集群协调机制；
加锁：以相同的KEY向N个实例加锁，只要超过一半节点成功，则认定加锁成功；
解锁：向所有的实例发送DEL命令，进行解锁；

RedLock算法的示意图如下，我们可以自己实现该算法，也可以直接使用Redisson框架。

6.说一说你对布隆过滤器的理解

参考答案

布隆过滤器可以用很低的代价，估算出数据是否真实存在。例如：给用户推荐新闻时，要去掉重复的新闻，就可以利用布隆过滤器，判断该新闻是否已经推荐过。

布隆过滤器的核心包括两部分：

一个大型的位数组；
若干个不一样的哈希函数，每个哈希函数都能将哈希值算的比较均匀。

布隆过滤器的工作原理：

添加key时，每个哈希函数都利用这个key计算出一个哈希值，再根据哈希值计算一个位置，并将位数组中这个位置的值设置为1。
询问key时，每个哈希函数都利用这个key计算出一个哈希值，再根据哈希值计算一个位置。然后对比这些哈希函数在位数组中对应位置的数值：
- 如果这几个位置中，有一个位置的值是0，就说明这个布隆过滤器中，不存在这个key。
- 如果这几个位置中，所有位置的值都是1，就说明这个布隆过滤器中，极有可能存在这个key。之所以不是百分之百确定，是因为也可能是其他的key运算导致该位置为1。