摘要

Redis是以键值对形式存储数据的内存数据库，因为其将数据存储在内存中，所以读写速度特别快，常用于作为缓存。该文章介绍了Redis常见数据类型、redis优势、线程模型、持久化、集群。持续完善与更新中。

1、五种常见数据类型结构及使用场景

redis是存储key-value对数据的数据库，它的key一般是String类型，但value有很多种，基本类型包括：

• 字符串（String）：本质是字符串数组，最大不能超过512M。

• 链表（List）:底层是一个链表，可以在链表头部、尾部删除或者插入数据，可以实现队列、栈的功能。

• 哈希表（Hash）:存储键值对集合的数据，常用于存储json格式数据。底层和ZSET类型，只是去掉了跳表。

• 集合（Set）:存储是数据是无序的集合，提供了两个几个之间的并较差集的计算。常用于存储好友列表，共同好友的计算。底层是一个Dict(哈希表)，如果存储的元素是整数，那么将采用intSet编码，如果是字符，使用set编码。如果一开始是整数，未来插入了字符串，那么将会变为set编码。

  集合存储的是一个元素，使用Dict键值对，所以在这里是将要保存的值作为key，值为null。

• 排序集合（SortedSet）:存储值时需要指定每个值的分数，按分数排名有序的存储数据，默认升序。常用于排名榜业务。底层数据是一个Dict+跳表，其中Dict用于确保键唯一和快速查询，跳表用于排序，跳表结构如图：

  显然：排序集合需要两种结构，很占存储空间，所以当元素数量小于128并且元素字节数小于64，将会使用ZipList(压缩链表)存储数据。

2、底层数据结构

指常见数据类型的底层数据存储结构。例如key的类型，链表中的数据，集合中的数据等底层都是简单动态字符串进行存储的。

2.1、简单动态字符串（SDS）

SDS和C语言字符串区别：

• 它不以\0作为字符串结束的标识位，而是以长度来看，所有它能够存储\0这样特殊字符，是二进制安全的；

注意SDS为了和C语言兼容，所以字符串末尾存储了\0 的结束标识符

• 获取字符串长度的时间复杂度为O(1)；

• 能够修改；

• 动态的扩容。向容量满了的SDS中添加字符串，将会触发扩容，扩容机制是: * 新字符串长度<=1M，则新空间为扩展后的两倍+1。 * 超过1M,新空间长度为扩展后的长度+1M+1。

它的数据结构如下

      struct sdshdr {
          uint8_t len; // buf数组中已使用字节的数量
          uint8_t alloc; // buf数组中申请的总内存大小
          unsigned char flags; // 不同的头类型，用来标识存储大小。uint8最大值是256，也就是说该buf最能存储256个字节的数据。Redis定义了多个尺度的SDS。
          char buf[]; // 字符数组，存储数据
      }

2.2、跳表

本质是一个链表，但是

• 其中的元素是按照分数升序排列的。
• 每个节点包含多个用来增加查询效率的不同跨度的指针。

2.3、zipList

压缩链表，底层实际是一个数组，每个"结点"的结构体是由：

• previous_entry_length：前一个结点从长度。
• encoding：当前节点的数据类型及长度。
• contents：当前结点的数据。

压缩链表可以通过encoding从前向后遍历，也可以通过previous_entry_length从后往前遍历。从而实现两端遍历的操作。

3、底层通信协议

3.1、RESP协议

Redis是CS架构的软件，即客户端-服务端，RESP协议是客户端和服务端通信的协议。它通过首个字节的字符来区分不同的数据类型，例如：

• 单行字符串：首字节是+，后面跟上单行字符串，以CRLF（"\r\n"）结尾。
• 错误:首字节是-，以CRLF（"\r\n"）结尾。
• 数字：首字节是:，以CRLF（"\r\n"）结尾。
• 多行字符串：首字节是$，后面紧跟字符串的长度，以\r\n结尾，再跟着需要读取的字符串，将会根据传入的字符串长度去读取后面的字符串。例如$5\r\nhello。

  多行字符串允许字符串内部存储\r\n这样的特殊字符串，所以是二进制安全的。

• 数组：首字节是*,后面跟上数组元素个数，再跟上每个数组的元素，元素类型不受限制。

4、有MySQL不就够用了吗？为什么要用Redis这种新的数据库？

Mysql数据库是存在磁盘上的，读取速度慢，而Redis是内存数据库，访问内存比访问磁盘的速度快得多。直接访问内存能承受的请求远远大于直接访问数据库，所以Redis常常用于缓存，用来分担数据库的压力。

5、使用Redis的好处有哪些？

• 数据以键值对的形式存储在内存中，访问速度快。
• 数据类型丰富，能够存储字符串，列表、hash表、集合、有序集合等多种数据结构。
• 支持事务，操作是原子性的
• 特性丰富，可用于缓存，消息队列，过期删除。

6、缓存中常说的热点数据和冷数据是什么？

• 热点数据：指访问次数较多的数据；
• 冷数据：指访问频率低的数据；

注意：只有缓存热数据才有价值，对于大部分冷数据， 可能还未再次访问就已经过期了，所以，缓存冷数据是没有意义的。

7、Redis 为什么是单线程的而不采用多线程方案

Redis是放在内存中的数据库，其访问速度本身就很快，限制其性能的并不是CPU性能，更可能是网络带宽和机器的内存，所以不需要采用多线程。

8、单线程的Redis为什么这么快？

• Redis的操作是基于内存的。
• 使用单线程，避免了多线程的上下文切换。
• 使用非阻塞IO多路复用机制。

9、IO多路复用

利于单个线程去监听多个FD，在某个任务的文件描述符(FD)准备就绪，可读、写时得到通知，从而避免无效等待，充分利用CPU资源。Linux系统监听的方式有：

• select、poll、epoll

注意：select和poll只会通知用户进程有FD准备就绪，但不会通知具体是哪个FD，需要进程去遍历确认。而epoll则会直接通知用户进程就绪的FD是哪个。

10、了解Redis的线程模型吗？可以大致说说吗？

它包括套接字、IO多路复用程序、文件事件分派器、事件处理器组成。它采用IO多路复用程序去监听多个套接字，当套接字产生事件后，将事件放入队列中，由事件处理分派器从队列中取出事件交给对应处理器处理。文件分派器分派任务是单线程的，所以Redis是单线程的。事件处理器包括连接应答处理器、命令回复处理器、命令应答处理器。

11、Redis设置过期时间的两种方案是什么？

• 定时删除：每隔一段时间，随机抽取一些设置了过期事件的key，检查是否已经过期，将过期的删除。
• 惰性删除：当用到某个key时，再检查其是否过期，过期则删除。

12、定期和惰性一定能保证删除数据吗？如果不能，Redis会有什么应对措施？

不能，Redis有一个内存淘汰机制去删除数据，主要有4种方案：

• LRU:淘汰最近最少使用的数据；
• LFU:淘汰使用频率最低的数据；
• TTL:淘汰将要过期的数据；
• Random:随机淘汰数据；

13、Redis持久化机制

通过持久化机制把内存中的数据同步到硬盘文件来保证数据持久化。当Redis重启后通过把硬盘文件重新加载到内存，就能达到恢复数据的目的。持久化机制有两种：

• 快照持久化(RDB)：通过创建某一个时刻的快照去保存和持久化数据。
• AOF持久化：每执行一次更改语句，都会将该命令写入AOF文件。

14、AOF重写

AOF持久化是将Redis执行的写入命令存入一个AOF文件中，恢复Redis时，加载文件重新执行命令即可。但久而久之，AOF文件会越来越大，非常占用内存，处理分析起来也需要较长时间，考虑到AOF中的很多写入命令是数据的中间状态，而不是最终状态，据此便有了AOF重写。

• AOF重写是为了降低AOF文件的大小及指令的数量。做法是去除掉AOF文件中的中间状态命令，将多条指令合并，只保留最终状态。Redis在重写时，会fork一个子进程去完成重写操作，为了防止子进程重写AOF文件期间，输入到redis的指令丢失，Redis会将该期间的写入指令暂存在重写缓冲区，最后将其添加到重写后的AOF文件中。

15、双写一致性问题及解决方案

指数据库数据被更新后，还未将更新同步至缓存，就有新的请求来访问了还未更新的旧数据，导致数据不一致的情况。解决方案：

• 先更新缓存、再更新数据库：一般不考虑，因为如果缓存更新成功、数据库更新失败，将导致缓存和数据库完全不一致，且很难察觉，因为缓存中一直有数据。

• 先更新数据库，再更新缓存：一般不考虑。因为更新数据库后，更新缓存可能会失败。

• 先删除缓存，再更新数据库： 因为在删除缓存和DB更新完之间，可能有新的请求访问了数据库并携带旧的结果存入了redis，从而导致数据不一致。可以使用延迟双删的办法解决，即更新完数据库后，延迟几秒再删除一次缓存。

  弊端：还是会小概率出现数据不一致的情况。因为在这个时间差内，缓存中脏数据 可能会被其它进程读取。

• 先更新数据库再删除缓存：在更新数据库并删除缓存后，网络中可能存在读取了旧数据正准备用旧数据更新缓存的线程，此时对缓存进行了更新，而导致数据不一致（极短的时间不一致）。可以使用延迟双删解决该问题。

16、Redis集群详情

16.1 Redis主从架构及哨兵

主从架构是用来保证Redis的高可用，采用一个主节点、多个从节点进行架构。数据修改操作都是在主节点进行，从节点负责同步主节点数据，并提供读数据的服务，当主节点挂掉后，选择一个从节点作为新的主节点，怎么选？则是由哨兵控制的哨兵通常是由三个及三个以上的服务器组成，它会监控主节点与从节点的状态，当主节点挂掉后，由哨兵集群中推选出来的某个哨兵去选择从节点作为新的主节点。

16.2 Redis集群

主从架构保证了高可用，但处理请求只有一个Redis，性能不足。Redis集群保证了高并发。它采用了多个Redis主从集群处理请求，并使用一致性hash算法去选择服务器处理请求。一致性hash的算法是将真实主从集群数量映射至16384个虚拟节点槽位，每次数据请求时，计算数据hash值对16384取模，得到其需要放入的虚拟槽位，根据虚拟槽位操作对应的主从集群。

参考资料

Redis01-20 | 阿秀的学习笔记 (interviewguide.cn)