Redis閒談（1）：構建知識圖譜

場景：Redis面試

（圖片來源於網路）

面試官 ： 我看到你的簡歷上說你熟練使用Redis，那麼你講一下Redis是幹嘛用的？

小明 ： （心中竊喜，Redis不就是快取嗎？）redis主要用作快取，透過記憶體高效地儲存非持久化資料。

面試官 ： Redis可以用作持久化的儲存嗎？

小明  ：嗯...應該可以吧...

面試官 ： 那Redis怎麼進行持久化操作呢？

小明 ：嗯...不是太清楚。

面試官 ： Redis的記憶體淘汰機制有哪些？

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還可以做分散式鎖、訊息佇列...

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於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，為什麼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於業務開發，卻不知道這些常用工具的底層實現是什麼，因此儘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。

Redis是什麼

REmote DIctionary Server(Redis) 是一個由Salvatore Sanfilippo寫的key-value儲存系統。

Redis是一個開源的使用ANSI 、C語言編寫、遵守BSD協議、支援網路、可基於記憶體亦可持久化的日誌型、Key-Value資料庫，並提供多種語言的API。

這裡我引用了Redis教程裡對Redis的描述，很官方，但是很標準。  可基於記憶體亦可持久化的日誌型、Key-Value資料庫。  我認為這個描述很貼切很全面。

Redis的行業地位

Redis是網際網路技術領域使用最為廣泛的儲存中介軟體，因超高的效能、完美的文件、多方面的應用能力以及豐富完善的客戶端支援在儲存方面獨當一面，廣受好評，尤其以其效能和讀取速度而成為了領域中最受青睞的中介軟體。基本上每一個軟體公司都會使用redis，其中包括很多大型網際網路公司，比如京東、阿里、騰訊、github等。因此，Redis也成為了後端開發人員必不可少的技能。

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，後續會不斷更新補充。

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，後續文章會詳細介紹Redis的資料結構、應用、持久化等多個方面。

Redis優點

速度快：

作為快取工具，Redis最廣為人知的特點就是快，到底有多快呢？Redis單機qps（每秒的併發）可以達到110000次/s，寫的速度是81000次/s。 那麼，Redis為什麼這麼快呢？

• 絕大部分請求是純粹的記憶體操作，非常快速；

• 使用了很多查詢操作都特別快的資料結構進行資料儲存，Redis中的資料結構是專門設計的。如HashMap，查詢、插入的時間複雜度都是O(1)；

• 採用單執行緒，避免了不必要的上下文切換和競爭條件，也不存在多程式或者多執行緒導致的切換而消耗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效能消耗；

• 用到了非阻塞I/O多路複用機制。

豐富的資料型別

Redis有5種常用的資料型別：String、List、Hash、set、zset，每種資料型別都有自己的用處。

原子性，支援事務

Redis支援事務，並且它的所有操作都是原子性的，同時Redis還支援對幾個操作合併後的原子性執行。

豐富的特性

Redis具有豐富的特性，比如可以用作分散式鎖；可以持久化資料；可以用作訊息佇列、排行榜、計數器；還支援publish/subscribe、通知、key過期等等。當我們要用中介軟體來解決實際問題的時候，Redis總能發揮出自己的用處。

Redis和Memcache對比

Memcache和Redis都是優秀的、高效能的記憶體資料庫，一般我們說到Redis的時候，都會拿Memcache來和Redis做對比。（為什麼要做對比呢？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：

1) 儲存方式

• Memcache把資料全部存在記憶體之中，斷電後會掛掉，無法做到資料的持久化，且資料不能超過記憶體大小。

• Redis有一部分資料存在硬碟上，可以做到資料的永續性。

2) 資料支援型別

• Memcache對資料型別支援相對簡單，只支援String型別的資料結構。

• Redis有豐富的資料型別，包括：String、List、Hash、Set、Zset。

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訊的應用協議不一樣。

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

4） 儲存值大小

• Redis最大可以儲存1GB，而memcache只有1MB。

看到這裡，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？

Redis存在的問題及解決方案

1. 快取資料庫的雙寫一致性的問題

問題 ：一致性的問題是分散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，因為資料庫和快取雙寫，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？

• 第一種方式是給快取設定一定的過期時間，在快取過期之後會自動查詢資料庫，保證資料庫和快取的一致性。

• 如果不設定過期時間的話，我們首先要選取正確的更新策略：先更新資料庫再刪除快取。但我們刪除快取的時候也可能出現某些問題，所以需要將要刪除的快取的key放到訊息佇列中去，不斷重試，直到刪除成功為止。

2. 快取雪崩問題

問題：  我們應該都在電影裡看到過雪崩，開始很平靜，然後一瞬間就開始崩塌，具有很強的毀滅性。這裡也是一樣的，我們執行程式碼的時候將很多快取的實效時間設定成一樣，接著這些快取在同一時間都會實效，然後都會重新訪問資料庫更新資料，這樣會導致資料庫連線數過多、壓力過大而崩潰。

解決：

• 設定快取過期時間的時候加一個隨機值。

• 設定雙快取，快取1設定快取時間，快取2不設定，1過期後直接返回快取2，並且啟動一個程式去更新快取1和2。

3. 快取穿透問題

問題：  快取穿透是指一些非正常使用者(駭客)故意去請求快取中不存在的資料，導致所有的請求都集中到到資料庫上，從而導致資料庫連線異常。

解決:

• 利用互斥鎖。快取失效的時候，不能直接訪問資料庫，而是要先獲取到鎖，才能去請求資料庫。沒得到鎖，則休眠一段時間後重試。

• 採用非同步更新策略。無論key是否取到值，都直接返回。value值中維護一個快取失效時間，快取如果過期，非同步起一個執行緒去讀資料庫，更新快取。需要做快取預熱(專案啟動前，先載入快取)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. 快取的併發競爭問題

問題：

快取併發競爭的問題，主要發生在多執行緒對某個key進行set的時候，這時會出現資料不一致的情況。

比如Redis中我們存著一個key為amount的值，它的value是100，兩個執行緒同時都對value加100然後更新，正確的結果應該是變為300。但是兩個執行緒拿到這個值的時候都是100，最後結果也就是200，這就導致了快取的併發競爭問題。

解決

• 如果多執行緒操作沒有順序要求的話，我們可以設定一個分散式鎖，然後多個執行緒去爭奪鎖，誰先搶到鎖誰就可以先執行。這個分散式鎖可以用zookeeper或者Redis本身去實現。

• 可以利用Redis的incr命令。

• 當我們的多執行緒操作需要順序的時候，我們可以設定一個訊息佇列，把需要的操作加到訊息佇列中去，嚴格按照佇列的先後執行命令。

Redis的過期策略

Redis隨著資料的增多，記憶體佔用率會持續變高，我們以為一些鍵到達設定的刪除時間就會被刪除，但是時間到了，記憶體的佔用率還是很高，這是為什麼呢？

Redis採用的是 定期刪除 和 惰性刪除 的記憶體淘汰機制。

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快取，這就需要我們設定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佔據，資源的利用率變低。所以我們選擇採用定期刪除，。

• 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快取，redis還是會卡死，只能隨機地去檢查一部分快取，但是這樣會有一些快取無法在規定時間內刪除。這時惰性刪除就派上用場了。

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，然後返回一個'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？並不是這樣的，如果這個key一直不訪問，那麼它會一直滯留，也是不合理的，這就需要我們的記憶體淘汰機制了。

Redis的記憶體淘汰機制

Redis的記憶體淘汰機制一般有6種，如下圖所示：

那麼我們如何去配置Redis的記憶體淘汰機制呢？

在redis.conf中我們可以進行配置

# maxmemory-policy allkeys-lru

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居然有這麼多的知識點需要學習；接著我們分析了Redis的優缺點，知道了其基於記憶體的高效的讀寫速度和豐富的資料型別，也分析了Redis面對資料一致性、快取穿透、快取雪崩等問題時該如何處理；最後我們瞭解了Redis的過期策略和快取淘汰機制。

相信大家已經對Redis有了一些瞭解，下篇文章我們將分析Redis的資料結構、每一種資料型別是如何實現的、對應的命令有哪些。

希望大家多多支援，有不正確的地方歡迎大家指出。