后端常问面经之Redis

Redis基础

常见的读写策略有哪些（保证缓存和数据库数据的一致性）

Cache Aside Pattern（旁路缓存模式）

Cache Aside Pattern 是我们平时使用比较多的一个缓存读写模式，比较适合读请求比较多的场景。

Cache Aside Pattern 中服务端需要同时维系 db 和 cache，并且是以 db 的结果为准。

下面我们来看一下个策略模式下的缓存读写步骤。

写：

先更新 db
然后直接删除 cache 。

读 :

从 cache 中读取数据，读取到就直接返回
cache 中读取不到的话，就从 db 中读取数据返回
再把数据放到 cache 中。

试官很可能会追问：“在写数据的过程中，可以先删除 cache ，后更新 db 么？”

答案： 那肯定是不行的！因为这样可能会造成 数据库（db）和缓存（Cache）数据不一致的问题。

举例：请求 1 先把 cache 中的 A 数据删除 -> 请求 2 从 db 中读取数据（原数据）->请求 1 再把 db 中的 A 数据更新。

面试官可能会紧接着就追问：“在写数据的过程中，先更新 db，后删除 cache 就没有问题了么？”

答案： 理论上来说还是可能会出现数据不一致性的问题：

例如，现有数据库存有数据A，redis中没有这个数据，现在线程1想读数据A，线程2想修改数据A，线程1在修改数据前读取这个数据，并在线程2检查Redis中是否有数据A之后将数据A写入Redis当中，此时就出现了数据不一致的情况。这种概率非常小，因为线程1将数据A存入内存的速度远远快于线程2修改磁盘中数据的速度。

现在我们再来分析一下 Cache Aside Pattern 的缺陷。

缺陷 1：首次请求数据一定不在 cache 的问题

解决办法：可以将热点数据可以提前放入 cache 中。

缺陷 2：写操作比较频繁的话导致 cache 中的数据会被频繁被删除，这样会影响缓存命中率。

解决办法：

数据库和缓存数据强一致场景：更新 db 的时候同样更新 cache，不过我们需要加一个锁/分布式锁来保证更新 cache 的时候不存在线程安全问题。
可以短暂地允许数据库和缓存数据不一致的场景：更新 db 的时候同样更新 cache，但是给缓存加一个比较短的过期时间，这样的话就可以保证即使数据不一致的话影响也比较小。

Redis 5 种基本数据结构详解

String（字符串）

介绍：

String 是 Redis 中最简单同时也是最常用的一个数据结构。

String 是一种二进制安全的数据结构，可以用来存储任何类型的数据比如字符串、整数、浮点数、图片（图片的 base64 编码或者解码或者图片的路径）、序列化后的对象。

应用场景

需要存储常规数据的场景

举例：缓存 session、token、图片地址、序列化后的对象(相比较于 Hash 存储更节省内存)。
相关命令：SET、GET。

需要计数的场景

举例：用户单位时间的请求数（简单限流可以用到）、页面单位时间的访问数。
相关命令：SET、GET、 INCR、DECR 。

List（列表）

介绍：

许多高级编程语言都内置了链表的实现比如 Java 中的 LinkedList，但是 C 语言并没有实现链表，所以 Redis 实现了自己的链表数据结构。Redis 的 List 的实现为一个 双向链表，即可以支持反向查找和遍历，更方便操作，不过带来了部分额外的内存开销。

应用场景：

信息流展示

举例：最新文章、最新动态。
相关命令：LPUSH、LRANGE。

Hash（哈希）

介绍

Redis 中的 Hash 是一个 String 类型的 field-value（键值对）的映射表，特别适合用于存储对象，后续操作的时候，你可以直接修改这个对象中的某些字段的值。

应用场景：

对象数据存储场景

举例：用户信息、商品信息、文章信息、购物车信息。
相关命令：HSET （设置单个字段的值）、HMSET（设置多个字段的值）、HGET（获取单个字段的值）、HMGET（获取多个字段的值）。

Set（集合）

介绍

Redis 中的 Set 类型是一种无序集合，集合中的元素没有先后顺序但都唯一，有点类似于 Java 中的 HashSet 。当你需要存储一个列表数据，又不希望出现重复数据时，Set 是一个很好的选择，并且 Set 提供了判断某个元素是否在一个 Set 集合内的重要接口，这个也是 List 所不能提供的。

你可以基于 Set 轻易实现交集、并集、差集的操作，比如你可以将一个用户所有的关注人存在一个集合中，将其所有粉丝存在一个集合。这样的话，Set 可以非常方便的实现如共同关注、共同粉丝、共同喜好等功能。这个过程也就是求交集的过程。

应用场景

需要存放的数据不能重复的场景

举例：网站 UV 统计（数据量巨大的场景还是 HyperLogLog更适合一些）、文章点赞、动态点赞等场景。
相关命令：SCARD（获取集合数量）。

需要获取多个数据源交集、并集和差集的场景

举例：共同好友(交集)、共同粉丝(交集)、共同关注(交集)、好友推荐（差集）、音乐推荐（差集）、订阅号推荐（差集+交集）等场景。
相关命令：SINTER（交集）、SINTERSTORE （交集）、SUNION （并集）、SUNIONSTORE（并集）、SDIFF（差集）、SDIFFSTORE （差集）。

要随机获取数据源中的元素的场景

举例：抽奖系统、随机点名等场景。
相关命令：SPOP（随机获取集合中的元素并移除，适合不允许重复中奖的场景）、SRANDMEMBER（随机获取集合中的元素，适合允许重复中奖的场景）。

Sorted Set（有序集合）

介绍

Sorted Set 类似于 Set，但和 Set 相比，Sorted Set 增加了一个权重参数 score，使得集合中的元素能够按 score 进行有序排列，还可以通过 score 的范围来获取元素的列表。有点像是 Java 中 HashMap 和 TreeSet 的结合体。

应用场景

需要随机获取数据源中的元素根据某个权重进行排序的场景

举例：各种排行榜比如直播间送礼物的排行榜、朋友圈的微信步数排行榜、王者荣耀中的段位排行榜、话题热度排行榜等等。
相关命令：ZRANGE (从小到大排序)、 ZREVRANGE （从大到小排序）、ZREVRANK (指定元素排名)。

需要存储的数据有优先级或者重要程度的场景 比如优先级任务队列。

举例：优先级任务队列。
相关命令：ZRANGE (从小到大排序)、 ZREVRANGE （从大到小排序）、ZREVRANK (指定元素排名)。

zset底层是怎么实现的？

Zset 类型的底层数据结构是由压缩列表或跳表实现的：

如果有序集合的元素个数小于 128 个，并且每个元素的值小于 64 字节时，Redis 会使用压缩列表作为 Zset 类型的底层数据结构；
如果有序集合的元素不满足上面的条件，Redis 会使用跳表作为 Zset 类型的底层数据结构；

在 Redis 7.0 中，压缩列表数据结构已经废弃了，交由 listpack 数据结构来实现了。

跳表时间复杂度？

搜索操作的时间复杂度：O(log n)，其中n是跳表中元素的数量。这是因为跳表中使用多级索引，可以通过跳跃的方式快速定位到目标元素所在的位置，从而将搜索的时间复杂度降低到对数级别。
插入和删除操作的时间复杂度：O(log n)，其中n是跳表中元素的数量。与搜索操作类似，插入和删除操作也可以通过跳跃的方式快速定位到需要插入或删除的位置，并进行相应的操作。因此，插入和删除的时间复杂度也是对数级别的。

Redis为什么使用跳表而不是用B+树?

主要是从内存占用、对范围查找的支持、实现难易程度这三方面总结的原因：

从内存占用上来比较，跳表比平衡树更灵活一些。平衡树每个节点包含 2 个指针（分别指向左右子树），而跳表每个节点包含的指针数目平均为 1/(1-p)，具体取决于参数 p 的大小。如果像 Redis里的实现一样，取 p=1/4，那么平均每个节点包含 1.33 个指针，比平衡树更有优势。
在做范围查找的时候，跳表比平衡树操作要简单。在平衡树上，我们找到指定范围的小值之后，还需要以中序遍历的顺序继续寻找其它不超过大值的节点。如果不对平衡树进行一定的改造，这里的中序遍历并不容易实现。而在跳表上进行范围查找就非常简单，只需要在找到小值之后，对第 1 层链表进行若干步的遍历就可以实现。
从算法实现难度上来比较，跳表比平衡树要简单得多。平衡树的插入和删除操作可能引发子树的调整，逻辑复杂，而跳表的插入和删除只需要修改相邻节点的指针，操作简单又快速。

Redis持久化方式有什么方式？

Redis 的读写操作都是在内存中，所以 Redis 性能才会高，但是当 Redis 重启后，内存中的数据就会丢失，那为了保证内存中的数据不会丢失，Redis 实现了数据持久化的机制，这个机制会把数据存储到磁盘，这样在 Redis 重启就能够从磁盘中恢复原有的数据。

Redis 持久化的方式有两种：

AOF 日志：每执行一条写操作命令，就把该命令以追加的方式写入到一个文件里；
RDB 快照：将某一时刻的内存数据，以二进制的方式写入磁盘；

AOF 日志是如何实现的？

Redis 在执行完一条写操作命令后，就会把该命令以追加的方式写入到一个文件里，然后 Redis 重启时，会读取该文件记录的命令，然后逐一执行命令的方式来进行数据恢复。

我这里以「set name xiaolin」命令作为例子，Redis 执行了这条命令后，记录在 AOF 日志里的内容如下图：

Redis 提供了 3 种写回硬盘的策略，在 Redis.conf 配置文件中的 appendfsync 配置项可以有以下 3 种参数可填：

Always，这个单词的意思是「总是」，所以它的意思是每次写操作命令执行完后，同步将 AOF 日志数据写回硬盘；
Everysec，这个单词的意思是「每秒」，所以它的意思是每次写操作命令执行完后，先将命令写入到 AOF 文件的内核缓冲区，然后每隔一秒将缓冲区里的内容写回到硬盘；
No，意味着不由 Redis 控制写回硬盘的时机，转交给操作系统控制写回的时机，也就是每次写操作命令执行完后，先将命令写入到 AOF 文件的内核缓冲区，再由操作系统决定何时将缓冲区内容写回硬盘。

我也把这 3 个写回策略的优缺点总结成了一张表格：

RDB 快照是如何实现的呢？

因为 AOF 日志记录的是操作命令，不是实际的数据，所以用 AOF 方法做故障恢复时，需要全量把日志都执行一遍，一旦 AOF 日志非常多，势必会造成 Redis 的恢复操作缓慢。

为了解决这个问题，Redis 增加了 RDB 快照。所谓的快照，就是记录某一个瞬间东西，比如当我们给风景拍照时，那一个瞬间的画面和信息就记录到了一张照片。

所以，RDB 快照就是记录某一个瞬间的内存数据，记录的是实际数据，而 AOF 文件记录的是命令操作的日志，而不是实际的数据。

因此在 Redis 恢复数据时， RDB 恢复数据的效率会比 AOF 高些，因为直接将 RDB 文件读入内存就可以，不需要像 AOF 那样还需要额外执行操作命令的步骤才能恢复数据。

Redis 提供了两个命令来生成 RDB 文件，分别是 save 和 bgsave，他们的区别就在于是否在「主线程」里执行：

执行了 save 命令，就会在主线程生成 RDB 文件，由于和执行操作命令在同一个线程，所以如果写入 RDB 文件的时间太长，会阻塞主线程；
执行了 bgsave 命令，会创建一个子进程来生成 RDB 文件，这样可以避免主线程的阻塞；

Redis线程模型

Redis单线程了解吗？

Redis基于Reactor模式设计开发了一套高效得事件处理模型，这套事件处理模型对应的是Redis中的文件事件处理器，由于文件事件处理器是单线程方式运行的，所以我们一般说Redis是单线程模型。

既然是单线程，那怎么监听大量的客户端连接？

Redis通过IO多路复用程序来监听来自客户端的大量连接（或者说是监听多个socket），它会将感兴趣的事件及类型（读、写）注册到内核中并监听每个事件是否发生。

这样的好处非常明显：I/O多路复用技术的使用让Redis不需要额外创建多余的线程来监听客户端的大量连接，降低了资源的消耗（和NIO中的Selector组件很像）。

文件事件处理器主要包含4个部分：

多个socket（客户端连接）
IO多路复用程序（支持多个客户端连接的关键）
文件事件分派器（将socket关联到相应的事件处理器）
事件处理器（连接应答处理器、命令请求处理器、命令回复处理器）

文件事件处理器（file event handler）

Redis 是单线程还是多线程？

Redis 单线程指的是「接收客户端请求->解析请求 ->进行数据读写等操作->发送数据给客户端」这个过程是由一个线程（主线程）来完成的，这也是我们常说 Redis 是单线程的原因。

但是，Redis 程序并不是单线程的，Redis 在启动的时候，是会启动后台线程（BIO）的：

Redis 在 2.6 版本，会启动 2 个后台线程，分别处理关闭文件、AOF 刷盘这两个任务；
Redis 在 4.0 版本之后，新增了一个新的后台线程，用来异步释放 Redis 内存，也就是 lazyfree 线程。例如执行 unlink key / flushdb async / flushall async 等命令，会把这些删除操作交给后台线程来执行，好处是不会导致 Redis 主线程卡顿。因此，当我们要删除一个大 key 的时候，不要使用 del 命令删除，因为 del 是在主线程处理的，这样会导致 Redis 主线程卡顿，因此我们应该使用 unlink 命令来异步删除大key。
Redis 在 6.0 版本之后，采用了多个 I/O 线程来处理网络请求，这是因为随着网络硬件的性能提升，Redis 的性能瓶颈有时会出现在网络 I/O 的处理上。但是对于命令的执行，Redis 仍然使用单线程来处理

Redis大key会有什么问题？怎么解决？

大 key 会带来以下四种影响：

客户端超时阻塞。由于 Redis 执行命令是单线程处理，然后在操作大 key 时会比较耗时，那么就会阻塞 Redis，从客户端这一视角看，就是很久很久都没有响应。
引发网络阻塞。每次获取大 key 产生的网络流量较大，如果一个 key 的大小是 1 MB，每秒访问量为 1000，那么每秒会产生 1000MB 的流量，这对于普通千兆网卡的服务器来说是灾难性的。
阻塞工作线程。如果使用 del 删除大 key 时，会阻塞工作线程，这样就没办法处理后续的命令。
内存分布不均。集群模型在 slot 分片均匀情况下，会出现数据和查询倾斜情况，部分有大 key 的 Redis 节点占用内存多，QPS 也会比较小。

解决方式：

拆分成多个小key。这是最容易想到的办法，降低单key的大小，读取可以用mget批量读取。
设置合理的过期时间。为每个key设置过期时间，并设置合理的过期时间，以便在数据失效后自动清理，避免长时间累积的大Key问题。
启用内存淘汰策略。启用Redis的内存淘汰策略，例如LRU（Least Recently Used，最近最少使用），以便在内存不足时自动淘汰最近最少使用的数据，防止大Key长时间占用内存。
数据分片。例如使用Redis Cluster将数据分散到多个Redis实例，以减轻单个实例的负担，降低大Key问题的风险。
删除大key。使用UNLINK命令删除大key，UNLINK命令是DEL命令的异步版本，它可以在后台删除Key，避免阻塞Redis实例。

Redis内存管理

Redis 给缓存数据设置过期时间有啥用？

Redis 自带了给缓存数据设置过期时间的功能，比如：

127.0.0.1:6379> expire key 60 # 数据在 60s 后过期
(integer) 1
127.0.0.1:6379> setex key 60 value # 数据在 60s 后过期 (setex:[set] + [ex]pire)
OK
127.0.0.1:6379> ttl key # 查看数据还有多久过期
(integer) 56

注意：Redis 中除了字符串类型有自己独有设置过期时间的命令 setex 外，其他方法都需要依靠 expire 命令来设置过期时间。另外， persist 命令可以移除一个键的过期时间。

过期时间除了有助于缓解内存的消耗，还有什么其他用么？

很多时候，我们的业务场景就是需要某个数据只在某一时间段内存在，比如我们的短信验证码可能只在 1 分钟内有效，用户登录的 token 可能只在 1 天内有效。

如果使用传统的数据库来处理的话，一般都是自己判断过期，这样更麻烦并且性能要差很多。

过期键删除策略和内存淘汰机制之间的关系：

过期健删除策略强调的是对过期健的操作，如果有健过期了，而内存还足够，不会使用内存淘汰机制，这时也会使用过期健删除策略删除过期健。
内存淘汰机制强调的是对内存的操作，如果内存不够了，即使有的健没有过期，也要删除一部分，同时也针对没有设置过期时间的健。

过期的数据的删除策略了解么？

如果假设你设置了一批 key 只能存活 1 分钟，那么 1 分钟后，Redis 是怎么对这批 key 进行删除的呢？

常用的过期数据的删除策略就两个（重要！自己造缓存轮子的时候需要格外考虑的东西）：

惰性删除：只会在取出 key 的时候才对数据进行过期检查。这样对 CPU 最友好，但是可能会造成太多过期 key 没有被删除。
定期删除：每隔一段时间抽取一批 key 执行删除过期 key 操作。并且，Redis 底层会通过限制删除操作执行的时长和频率来减少删除操作对 CPU 时间的影响。

定期删除对内存更加友好，惰性删除对 CPU 更加友好。两者各有千秋，所以 Redis 采用的是 定期删除+惰性/懒汉式删除 。

Redis 内存淘汰机制了解么？

相关问题：MySQL 里有 2000w 数据，Redis 中只存 20w 的数据，如何保证 Redis 中的数据都是热点数据?

Redis 提供 6 种数据淘汰策略：

volatile-lru（least recently used）：从已设置过期时间的数据集（server.db[i].expires）中挑选最近最少使用的数据淘汰。
volatile-ttl：从已设置过期时间的数据集（server.db[i].expires）中挑选将要过期的数据淘汰。
volatile-random：从已设置过期时间的数据集（server.db[i].expires）中任意选择数据淘汰。
allkeys-lru（least recently used）：当内存不足以容纳新写入数据时，在键空间中，移除最近最少使用的 key（这个是最常用的）。
allkeys-random：从数据集（server.db[i].dict）中任意选择数据淘汰。
no-eviction：禁止驱逐数据，也就是说当内存不足以容纳新写入数据时，新写入操作会报错。这个应该没人使用吧！

4.0 版本后增加以下两种：

volatile-lfu（least frequently used）：从已设置过期时间的数据集（server.db[i].expires）中挑选最不经常使用的数据淘汰。
allkeys-lfu（least frequently used）：当内存不足以容纳新写入数据时，在键空间中，移除最不经常使用的 key。