Java全栈知识点问题汇总(上)-(四)Java全栈知识体系面试题汇总，记录常见的高频面试题与重点知识，本篇着重介绍数据

8 数据库

数据库相关，包括MySQL，Redis，MongoDB， ElasticSearch等。

8.1 原理和SQL

什么是事务？事务基本特性ACID？

事务指的是满足 ACID 特性的一组操作，可以通过 Commit 提交一个事务，也可以使用 Rollback 进行回滚。

事务基本特性ACID?：
- A原子性(atomicity) 指的是一个事务中的操作要么全部成功，要么全部失败。
- C一致性(consistency) 指的是数据库总是从一个一致性的状态转换到另外一个一致性的状态。比如A转账给B100块钱，假设中间sql执行过程中系统崩溃A也不会损失100块，因为事务没有提交，修改也就不会保存到数据库。
- I隔离性(isolation) 指的是一个事务的修改在最终提交前，对其他事务是不可见的。
- D持久性(durability) 指的是一旦事务提交，所做的修改就会永久保存到数据库中。

数据库中并发一致性问题？

在并发环境下，事务的隔离性很难保证，因此会出现很多并发一致性问题。

丢失修改

T1 和 T2 两个事务都对一个数据进行修改，T1 先修改，T2 随后修改，T2 的修改覆盖了 T1 的修改。

读脏数据

T1 修改一个数据，T2 随后读取这个数据。如果 T1 撤销了这次修改，那么 T2 读取的数据是脏数据。

不可重复读

T2 读取一个数据，T1 对该数据做了修改。如果 T2 再次读取这个数据，此时读取的结果和第一次读取的结果不同。

幻影读

T1 读取某个范围的数据，T2 在这个范围内插入新的数据，T1 再次读取这个范围的数据，此时读取的结果和和第一次读取的结果不同。

事务的隔离等级？

未提交读(READ UNCOMMITTED) 事务中的修改，即使没有提交，对其它事务也是可见的。
提交读(READ COMMITTED) 一个事务只能读取已经提交的事务所做的修改。换句话说，一个事务所做的修改在提交之前对其它事务是不可见的。
可重复读(REPEATABLE READ) 保证在同一个事务中多次读取同样数据的结果是一样的。
可串行化(SERIALIZABLE) 强制事务串行执行。

隔离级别	脏读	不可重复读	幻影读
未提交读	√	√	√
提交读	×	√	√
可重复读	×	×	√
可串行化	×	×	×

ACID靠什么保证的呢？

A原子性(atomicity) 由undo log日志保证，它记录了需要回滚的日志信息，事务回滚时撤销已经执行成功的sql
C一致性(consistency) 一般由代码层面来保证
I隔离性(isolation) 由MVCC来保证
D持久性(durability) 由内存+redo log来保证，mysql修改数据同时在内存和redo log记录这次操作，事务提交的时候通过redo log刷盘，宕机的时候可以从redo log恢复

SQL 优化的实践经验？

1.对查询进行优化，要尽量避免全表扫描，首先应考虑在 where 及 order by 涉及的列上建立索引。

2.应尽量避免在 where 子句中对字段进行 null 值判断，否则将导致引擎放弃使用索引而进行全表扫描，如：

select id from t where num is null

最好不要给数据库留NULL，尽可能的使用 NOT NULL填充数据库.

备注、描述、评论之类的可以设置为 NULL，其他的，最好不要使用NULL。

不要以为 NULL 不需要空间，比如：char(100) 型，在字段建立时，空间就固定了，不管是否插入值（NULL也包含在内），都是占用 100个字符的空间的，如果是varchar这样的变长字段， null 不占用空间。

可以在num上设置默认值0，确保表中num列没有null值，然后这样查询：

select id from t where num = 0

3.应尽量避免在 where 子句中使用 != 或 <> 操作符，否则将引擎放弃使用索引而进行全表扫描。

4.应尽量避免在 where 子句中使用 or 来连接条件，如果一个字段有索引，一个字段没有索引，将导致引擎放弃使用索引而进行全表扫描，如：

select id from t where num=10 or Name = 'admin'

可以这样查询：

select id from t where num = 10
union all
select id from t where Name = 'admin'

5.in 和 not in 也要慎用，否则会导致全表扫描，如：

select id from t where num in(1,2,3)

对于连续的数值，能用 between 就不要用 in 了：

select id from t where num between 1 and 3

很多时候用 exists 代替 in 是一个好的选择：

select num from a where num in(select num from b)

用下面的语句替换：

select num from a where exists(select 1 from b where num=a.num)

6.下面的查询也将导致全表扫描：

select id from t where name like ‘%abc%’

若要提高效率，可以考虑全文检索。

7.如果在 where 子句中使用参数，也会导致全表扫描。因为SQL只有在运行时才会解析局部变量，但优化程序不能将访问计划的选择推迟到运行时；它必须在编译时进行选择。然而，如果在编译时建立访问计划，变量的值还是未知的，因而无法作为索引选择的输入项。如下面语句将进行全表扫描：

select id from t where num = @num

可以改为强制查询使用索引：

select id from t with(index(索引名)) where num = @num

.应尽量避免在 where 子句中对字段进行表达式操作，这将导致引擎放弃使用索引而进行全表扫描。如：

select id from t where num/2 = 100

应改为:

select id from t where num = 100*2

9.应尽量避免在where子句中对字段进行函数操作，这将导致引擎放弃使用索引而进行全表扫描。如：

select id from t where substring(name,1,3) = ’abc’       -–name以abc开头的id
select id from t where datediff(day,createdate,’2005-11-30′) = 0    -–‘2005-11-30’    --生成的id

应改为:

select id from t where name like 'abc%'
select id from t where createdate >= '2005-11-30' and createdate < '2005-12-1'

10.不要在 where 子句中的“=”左边进行函数、算术运算或其他表达式运算，否则系统将可能无法正确使用索引。

11.在使用索引字段作为条件时，如果该索引是复合索引，那么必须使用到该索引中的第一个字段作为条件时才能保证系统使用该索引，否则该索引将不会被使用，并且应尽可能的让字段顺序与索引顺序相一致。

12.不要写一些没有意义的查询，如需要生成一个空表结构：

select col1,col2 into #t from t where 1=0

这类代码不会返回任何结果集，但是会消耗系统资源的，应改成这样：

create table #t(…)

13.Update 语句，如果只更改1、2个字段，不要Update全部字段，否则频繁调用会引起明显的性能消耗，同时带来大量日志。

14.对于多张大数据量（这里几百条就算大了）的表JOIN，要先分页再JOIN，否则逻辑读会很高，性能很差。

15.select count(*) from table；这样不带任何条件的count会引起全表扫描，并且没有任何业务意义，是一定要杜绝的。

16.索引并不是越多越好，索引固然可以提高相应的 select 的效率，但同时也降低了 insert 及 update 的效率，因为 insert 或 update 时有可能会重建索引，所以怎样建索引需要慎重考虑，视具体情况而定。一个表的索引数最好不要超过6个，若太多则应考虑一些不常使用到的列上建的索引是否有必要。

17.应尽可能的避免更新 clustered 索引数据列，因为 clustered 索引数据列的顺序就是表记录的物理存储顺序，一旦该列值改变将导致整个表记录的顺序的调整，会耗费相当大的资源。若应用系统需要频繁更新 clustered 索引数据列，那么需要考虑是否应将该索引建为 clustered 索引。

18.尽量使用数字型字段，若只含数值信息的字段尽量不要设计为字符型，这会降低查询和连接的性能，并会增加存储开销。这是因为引擎在处理查询和连接时会逐个比较字符串中每一个字符，而对于数字型而言只需要比较一次就够了。

19.尽可能的使用 varchar/nvarchar 代替 char/nchar ，因为首先变长字段存储空间小，可以节省存储空间，其次对于查询来说，在一个相对较小的字段内搜索效率显然要高些。

20.任何地方都不要使用 select * from t ，用具体的字段列表代替“*”，不要返回用不到的任何字段。

21.尽量使用表变量来代替临时表。如果表变量包含大量数据，请注意索引非常有限（只有主键索引）。

避免频繁创建和删除临时表，以减少系统表资源的消耗。临时表并不是不可使用，适当地使用它们可以使某些例程更有效，例如，当需要重复引用大型表或常用表中的某个数据集时。但是，对于一次性事件，最好使用导出表。

23.在新建临时表时，如果一次性插入数据量很大，那么可以使用 select into 代替 create table，避免造成大量 log ，以提高速度；如果数据量不大，为了缓和系统表的资源，应先create table，然后insert。

24.如果使用到了临时表，在存储过程的最后务必将所有的临时表显式删除，先 truncate table ，然后 drop table ，这样可以避免系统表的较长时间锁定。

25.尽量避免使用游标，因为游标的效率较差，如果游标操作的数据超过1万行，那么就应该考虑改写。

26.使用基于游标的方法或临时表方法之前，应先寻找基于集的解决方案来解决问题，基于集的方法通常更有效。

27.与临时表一样，游标并不是不可使用。对小型数据集使用 FAST_FORWARD 游标通常要优于其他逐行处理方法，尤其是在必须引用几个表才能获得所需的数据时。在结果集中包括“合计”的例程通常要比使用游标执行的速度快。如果开发时间允许，基于游标的方法和基于集的方法都可以尝试一下，看哪一种方法的效果更好。

28.在所有的存储过程和触发器的开始处设置 SET NOCOUNT ON ，在结束时设置 SET NOCOUNT OFF 。无需在执行存储过程和触发器的每个语句后向客户端发送 DONE_IN_PROC 消息。

29.尽量避免大事务操作，提高系统并发能力。

30.尽量避免向客户端返回大数据量，若数据量过大，应该考虑相应需求是否合理。

Buffer Pool、Redo Log Buffer 和undo log、redo log、bin log 概念以及关系？

Buffer Pool 是 MySQL 的一个非常重要的组件，因为针对数据库的增删改操作都是在 Buffer Pool 中完成的
Undo log 记录的是数据操作前的样子
redo log 记录的是数据被操作后的样子（redo log 是 Innodb 存储引擎特有）
bin log 记录的是整个操作记录（这个对于主从复制具有非常重要的意义）

从准备更新一条数据到事务的提交的流程描述？

首先执行器根据 MySQL 的执行计划来查询数据，先是从缓存池中查询数据，如果没有就会去数据库中查询，如果查询到了就将其放到缓存池中
在数据被缓存到缓存池的同时，会写入 undo log 日志文件
更新的动作是在 BufferPool 中完成的，同时会将更新后的数据添加到 redo log buffer 中
完成以后就可以提交事务，在提交的同时会做以下三件事
- 将redo log buffer中的数据刷入到 redo log 文件中
- 将本次操作记录写入到 bin log文件中
- 将 bin log 文件名字和更新内容在 bin log 中的位置记录到redo log中，同时在 redo log 最后添加 commit 标记

8.2 MySQL

能说下myisam 和 innodb的区别吗？

myisam引擎是5.1版本之前的默认引擎，支持全文检索、压缩、空间函数等，但是不支持事务和行级锁，所以一般用于有大量查询少量插入的场景来使用，而且myisam不支持外键，并且索引和数据是分开存储的。

innodb是基于B+Tree索引建立的，和myisam相反它支持事务、外键，并且通过MVCC来支持高并发，索引和数据存储在一起。

说下MySQL的索引有哪些吧？

索引在什么层面？

首先，索引是在存储引擎层实现的，而不是在服务器层实现的，所以不同存储引擎具有不同的索引类型和实现。

有哪些？

B+Tree 索引
- 是大多数 MySQL 存储引擎的默认索引类型。
哈希索引
- 哈希索引能以 O(1) 时间进行查找，但是失去了有序性；
- InnoDB 存储引擎有一个特殊的功能叫“自适应哈希索引”，当某个索引值被使用的非常频繁时，会在 B+Tree 索引之上再创建一个哈希索引，这样就让 B+Tree 索引具有哈希索引的一些优点，比如快速的哈希查找。
全文索引
- MyISAM 存储引擎支持全文索引，用于查找文本中的关键词，而不是直接比较是否相等。查找条件使用 MATCH AGAINST，而不是普通的 WHERE。
- 全文索引一般使用倒排索引实现，它记录着关键词到其所在文档的映射。
- InnoDB 存储引擎在 MySQL 5.6.4 版本中也开始支持全文索引。
空间数据索引
- MyISAM 存储引擎支持空间数据索引(R-Tree)，可以用于地理数据存储。空间数据索引会从所有维度来索引数据，可以有效地使用任意维度来进行组合查询。

什么是B+树？为什么B+树成为主要的SQL数据库的索引实现？

什么是B+Tree?

B+ Tree 是基于 B Tree 和叶子节点顺序访问指针进行实现，它具有 B Tree 的平衡性，并且通过顺序访问指针来提高区间查询的性能。在 B+ Tree 中，一个节点中的 key 从左到右非递减排列，如果某个指针的左右相邻 key 分别是 keyi 和 keyi+1，且不为 null，则该指针指向节点的所有 key 大于等于 keyi 且小于等于 keyi+1。

为什么是B+Tree?
- 为了减少磁盘读取次数，决定了树的高度不能高，所以必须是先B-Tree；
- 以页为单位读取使得一次 I/O 就能完全载入一个节点，且相邻的节点也能够被预先载入；所以数据放在叶子节点，本质上是一个Page页；
- 为了支持范围查询以及关联关系，页中数据需要有序，且页的尾部节点指向下个页的头部；
B+树索引可分为聚簇索引和非聚簇索引?

主索引就是聚簇索引（也称聚集索引，clustered index）
辅助索引（有时也称非聚簇索引或二级索引，secondary index，non-clustered index）。

如上图，主键索引的叶子节点保存的是真正的数据。而辅助索引叶子节点的数据区保存的是主键索引关键字的值。

假如要查询name = C 的数据，其搜索过程如下：a) 先在辅助索引中通过C查询最后找到主键id = 9; b) 在主键索引中搜索id为9的数据，最终在主键索引的叶子节点中获取到真正的数据。所以通过辅助索引进行检索，需要检索两次索引。

之所以这样设计，一个原因就是：如果和MyISAM一样在主键索引和辅助索引的叶子节点中都存放数据行指针，一旦数据发生迁移，则需要去重新组织维护所有的索引。

那你知道什么是覆盖索引和回表吗？

覆盖索引指的是在一次查询中，如果一个索引包含或者说覆盖所有需要查询的字段的值，我们就称之为覆盖索引，而不再需要回表查询。

而要确定一个查询是否是覆盖索引，我们只需要explain sql语句看Extra的结果是否是“Using index”即可。

比如：

explain select * from user where age=1; // 查询的name无法从索引数据获取
explain select id,age from user where age=1; //可以直接从索引获取

什么是MVCC？说说MySQL实现MVCC的原理？

什么是MVCC？

MVCC，全称Multi-Version Concurrency Control，即多版本并发控制。MVCC是一种并发控制的方法，一般在数据库管理系统中，实现对数据库的并发访问，在编程语言中实现事务内存。

在Mysql的InnoDB引擎中就是指在已提交读(READ COMMITTD)和可重复读(REPEATABLE READ)这两种隔离级别下的事务对于SELECT操作会访问版本链中的记录的过程。

这就使得别的事务可以修改这条记录，反正每次修改都会在版本链中记录。SELECT可以去版本链中拿记录，这就实现了读-写，写-读的并发执行，提升了系统的性能。

MySQL的InnoDB引擎实现MVCC的3个基础点

隐式字段

如上图，DB_ROW_ID是数据库默认为该行记录生成的唯一隐式主键；DB_TRX_ID是当前操作该记录的事务ID；而DB_ROLL_PTR是一个回滚指针，用于配合undo日志，指向上一个旧版本；delete flag没有展示出来。

undo log

从上面，我们就可以看出，不同事务或者相同事务的对同一记录的修改，会导致该记录的undo log成为一条记录版本线性表，既链表，undo log的链首就是最新的旧记录，链尾就是最早的旧记录

ReadView

已提交读和可重复读的区别就在于它们生成ReadView的策略不同。

ReadView中主要就是有个列表来存储我们系统中当前活跃着的读写事务，也就是begin了还未提交的事务。通过这个列表来判断记录的某个版本是否对当前事务可见。假设当前列表里的事务id为[80,100]。

a) 如果你要访问的记录版本的事务id为50，比当前列表最小的id80小，那说明这个事务在之前就提交了，所以对当前活动的事务来说是可访问的。

b) 如果你要访问的记录版本的事务id为90,发现此事务在列表id最大值和最小值之间，那就再判断一下是否在列表内，如果在那就说明此事务还未提交，所以版本不能被访问。如果不在那说明事务已经提交，所以版本可以被访问。

c) 如果你要访问的记录版本的事务id为110，那比事务列表最大id100都大，那说明这个版本是在ReadView生成之后才发生的，所以不能被访问。

这些记录都是去undo log 链里面找的，先找最近记录，如果最近这一条记录事务id不符合条件，不可见的话，再去找上一个版本再比较当前事务的id和这个版本事务id看能不能访问，以此类推直到返回可见的版本或者结束。

举个例子 ，在已提交读隔离级别下：

比如此时有一个事务id为100的事务，修改了name,使得的name等于小明2，但是事务还没提交。则此时的版本链是

那此时另一个事务发起了select 语句要查询id为1的记录，那此时生成的ReadView 列表只有[100]。那就去版本链去找了，首先肯定找最近的一条，发现trx_id是100,也就是name为小明2的那条记录，发现在列表内，所以不能访问。

这时候就通过指针继续找下一条，name为小明1的记录，发现trx_id是60，小于列表中的最小id,所以可以访问，直接访问结果为小明1。

那这时候我们把事务id为100的事务提交了，并且新建了一个事务id为110也修改id为1的记录，并且不提交事务

这时候版本链就是

这时候之前那个select事务又执行了一次查询,要查询id为1的记录。

已提交读隔离级别下的事务在每次查询的开始都会生成一个独立的ReadView,而可重复读隔离级别则在第一次读的时候生成一个ReadView，之后的读都复用之前的ReadView。

如果你是已提交读隔离级别，这时候你会重新一个ReadView，那你的活动事务列表中的值就变了，变成了[110]。按照上的说法，你去版本链通过trx_id对比查找到合适的结果就是小明2。
如果你是可重复读隔离级别，这时候你的ReadView还是第一次select时候生成的ReadView,也就是列表的值还是[100]。所以select的结果是小明1。所以第二次select结果和第一次一样，所以叫可重复读！

这就是Mysql的MVCC,通过版本链，实现多版本，可并发读-写，写-读。通过ReadView生成策略的不同实现不同的隔离级别。

MySQL 锁的类型有哪些呢？

说两个维度：

共享锁(简称S锁)和排他锁(简称X锁)
- 读锁是共享的，可以通过lock in share mode实现，这时候只能读不能写。
- 写锁是排他的，它会阻塞其他的写锁和读锁。从颗粒度来区分，可以分为表锁和行锁两种。
表锁和行锁
- 表锁会锁定整张表并且阻塞其他用户对该表的所有读写操作，比如alter修改表结构的时候会锁表。
- 行锁
  
  又可以分为乐观锁和悲观锁
  - 悲观锁可以通过for update实现
  - 乐观锁则通过版本号实现。

两个维度结合来看：

共享锁(行锁):Shared Locks
- 读锁(s锁),多个事务对于同一数据可以共享访问,不能操作修改
- 使用方法:
  - 加锁:SELECT * FROM table WHERE id=1 LOCK IN SHARE MODE
  - 释锁:COMMIT/ROLLBACK
排他锁（行锁）：Exclusive Locks
- 写锁(X锁)，互斥锁/独占锁,事务获取了一个数据的X锁，其他事务就不能再获取该行的读锁和写锁（S锁、X锁），只有获取了该排他锁的事务是可以对数据行进行读取和修改
- 使用方法:
  - DELETE/ UPDATE/ INSERT -- 加锁
  - SELECT * FROM table WHERE ... FOR UPDATE -- 加锁
  - COMMIT/ROLLBACK -- 释锁
意向共享锁(IS)
- 一个数据行加共享锁前必须先取得该表的IS锁，意向共享锁之间是可以相互兼容的意向排它锁(IX) 一个数据行加排他锁前必须先取得该表的IX锁，意向排它锁之间是可以相互兼容的意向锁(IS、IX)是InnoDB引擎操作数据之前自动加的，不需要用户干预; 意义：当事务操作需要锁表时，只需判断意向锁是否存在，存在时则可快速返回该表不能启用表锁
- 意向共享锁(IS锁)（表锁）：Intention Shared Locks
  - 表示事务准备给数据行加入共享锁，也就是说一个数据行加共享锁前必须先取得该表的IS锁。
- 意向排它锁(IX锁)（表锁）：Intention Exclusive Locks
  - 表示事务准备给数据行加入排他锁，说明事务在一个数据行加排他锁前必须先取得该表的IX锁。

你们数据量级多大？分库分表怎么做的？

首先分库分表分为垂直和水平两个方式，一般来说我们拆分的顺序是先垂直后水平。

垂直分库

基于现在微服务拆分来说，都是已经做到了垂直分库了

垂直分表

垂直切分是将一张表按列切分成多个表，通常是按照列的关系密集程度进行切分，也可以利用垂直切分将经常被使用的列和不经常被使用的列切分到不同的表中。

在数据库的层面使用垂直切分将按数据库中表的密集程度部署到不同的库中，例如将原来的电商数据库垂直切分成商品数据库、用户数据库等。

水平分表

首先根据业务场景来决定使用什么字段作为分表字段(sharding_key)，比如我们现在日订单1000万，我们大部分的场景来源于C端，我们可以用user_id作为sharding_key，数据查询支持到最近3个月的订单，超过3个月的做归档处理，那么3个月的数据量就是9亿，可以分1024张表，那么每张表的数据大概就在100万左右。

比如用户id为100，那我们都经过hash(100)，然后对1024取模，就可以落到对应的表上了。

那分表后的ID怎么保证唯一性的呢？

因为我们主键默认都是自增的，那么分表之后的主键在不同表就肯定会有冲突了。有几个办法考虑：

设定步长，比如1-1024张表我们分别设定1-1024的基础步长，这样主键落到不同的表就不会冲突了。
分布式ID，自己实现一套分布式ID生成算法或者使用开源的比如雪花算法这种
分表后不使用主键作为查询依据，而是每张表单独新增一个字段作为唯一主键使用，比如订单表订单号是唯一的，不管最终落在哪张表都基于订单号作为查询依据，更新也一样。

分表后非sharding_key的查询怎么处理呢？

可以做一个mapping表，比如这时候商家要查询订单列表怎么办呢？不带user_id查询的话你总不能扫全表吧？所以我们可以做一个映射关系表，保存商家和用户的关系，查询的时候先通过商家查询到用户列表，再通过user_id去查询。
大宽表，一般而言，商户端对数据实时性要求并不是很高，比如查询订单列表，可以把订单表同步到离线（实时）数仓，再基于数仓去做成一张宽表，再基于其他如es提供查询服务。
数据量不是很大的话，比如后台的一些查询之类的，也可以通过多线程扫表，然后再聚合结果的方式来做。或者异步的形式也是可以的。

List<Callable<List<User>>> taskList = Lists.newArrayList();
for (int shardingIndex = 0; shardingIndex < 1024; shardingIndex++) {
    taskList.add(() -> (userMapper.getProcessingAccountList(shardingIndex)));
}
List<ThirdAccountInfo> list = null;
try {
    list = taskExecutor.executeTask(taskList);
} catch (Exception e) {
    //do something
}

public class TaskExecutor {
    public <T> List<T> executeTask(Collection<? extends Callable<T>> tasks) throws Exception {
        List<T> result = Lists.newArrayList();
        List<Future<T>> futures = ExecutorUtil.invokeAll(tasks);
        for (Future<T> future : futures) {
            result.add(future.get());
        }
        return result;
    }
}

MySQL主从复制？

主要涉及三个线程: binlog 线程、I/O 线程和 SQL 线程。

binlog 线程 : 负责将主服务器上的数据更改写入二进制日志中。
I/O 线程 : 负责从主服务器上读取二进制日志，并写入从服务器的中继日志中。
SQL 线程 : 负责读取中继日志并重放其中的 SQL 语句。

全同步复制

主库写入binlog后强制同步日志到从库，所有的从库都执行完成后才返回给客户端，但是很显然这个方式的话性能会受到严重影响。

半同步复制

和全同步不同的是，半同步复制的逻辑是这样，从库写入日志成功后返回ACK确认给主库，主库收到至少一个从库的确认就认为写操作完成。

MySQL主从的延迟怎么解决呢？

这个问题貌似真的是个无解的问题，只能是说自己来判断了，需要走主库的强制走主库查询。

MySQL读写分离方案?

主服务器处理写操作以及实时性要求比较高的读操作，而从服务器处理读操作。

读写分离能提高性能的原因在于:

主从服务器负责各自的读和写，极大程度缓解了锁的争用；
从服务器可以使用 MyISAM，提升查询性能以及节约系统开销；
增加冗余，提高可用性。

读写分离常用代理方式来实现，代理服务器接收应用层传来的读写请求，然后决定转发到哪个服务器。

8.3 Redis

什么是Redis，为什么用Redis？

Redis是一种支持key-value等多种数据结构的存储系统。可用于缓存，事件发布或订阅，高速队列等场景。支持网络，提供字符串，哈希，列表，队列，集合结构直接存取，基于内存，可持久化。

读写性能优异
- Redis能读的速度是110000次/s,写的速度是81000次/s （测试条件见下一节）。
数据类型丰富
- Redis支持二进制案例的 Strings, Lists, Hashes, Sets 及 Ordered Sets 数据类型操作。
原子性
- Redis的所有操作都是原子性的，同时Redis还支持对几个操作全并后的原子性执行。
丰富的特性
- Redis支持 publish/subscribe, 通知, key 过期等特性。
持久化
- Redis支持RDB, AOF等持久化方式
发布订阅
- Redis支持发布/订阅模式
分布式
- Redis Cluster

为什么Redis 是单线程的以及为什么这么快？

redis完全基于内存,绝大部分请求是纯粹的内存操作,非常快速.
数据结构简单,对数据操作也简单,redis中的数据结构是专门进行设计的
采用单线程模型, 避免了不必要的上下文切换和竞争条件, 也不存在多线程或者多线程切换而消耗CPU, 不用考虑各种锁的问题, 不存在加锁, 释放锁的操作, 没有因为可能出现死锁而导致性能消耗
使用了多路IO复用模型,非阻塞IO
使用底层模型不同,它们之间底层实现方式及与客户端之间的通信的应用协议不一样,Redis直接构建了自己的VM机制,因为一般的系统调用系统函数的话,会浪费一定的时间去移动和请求

Redis 一般有哪些使用场景？

可以结合自己的项目讲讲，比如

热点数据的缓存

缓存是Redis最常见的应用场景，之所有这么使用，主要是因为Redis读写性能优异。而且逐渐有取代memcached，成为首选服务端缓存的组件。而且，Redis内部是支持事务的，在使用时候能有效保证数据的一致性。

限时业务的运用

redis中可以使用expire命令设置一个键的生存时间，到时间后redis会删除它。利用这一特性可以运用在限时的优惠活动信息、手机验证码等业务场景。

计数器相关问题

redis由于incrby命令可以实现原子性的递增，所以可以运用于高并发的秒杀活动、分布式序列号的生成、具体业务还体现在比如限制一个手机号发多少条短信、一个接口一分钟限制多少请求、一个接口一天限制调用多少次等等。

分布式锁

这个主要利用redis的setnx命令进行，setnx："set if not exists"就是如果不存在则成功设置缓存同时返回1，否则返回0 ，这个特性在俞你奔远方的后台中有所运用，因为我们服务器是集群的，定时任务可能在两台机器上都会运行，所以在定时任务中首先通过setnx设置一个lock，如果成功设置则执行，如果没有成功设置，则表明该定时任务已执行。当然结合具体业务，我们可以给这个lock加一个过期时间，比如说30分钟执行一次的定时任务，那么这个过期时间设置为小于30分钟的一个时间就可以，这个与定时任务的周期以及定时任务执行消耗时间相关。

在分布式锁的场景中，主要用在比如秒杀系统等。

Redis 有哪些数据类型？

5种基础数据类型，分别是：String、List、Set、Zset、Hash。

结构类型	结构存储的值	结构的读写能力
String字符串	可以是字符串、整数或浮点数	对整个字符串或字符串的一部分进行操作；对整数或浮点数进行自增或自减操作；
List列表	一个链表，链表上的每个节点都包含一个字符串	对链表的两端进行push和pop操作，读取单个或多个元素；根据值查找或删除元素；
Set集合	包含字符串的无序集合	字符串的集合，包含基础的方法有看是否存在添加、获取、删除；还包含计算交集、并集、差集等
Hash散列	包含键值对的无序散列表	包含方法有添加、获取、删除单个元素
Zset有序集合	和散列一样，用于存储键值对	字符串成员与浮点数分数之间的有序映射；元素的排列顺序由分数的大小决定；包含方法有添加、获取、删除单个元素以及根据分值范围或成员来获取元素

三种特殊的数据类型 分别是 HyperLogLogs（基数统计）， Bitmaps (位图) 和 geospatial （地理位置)

谈谈Redis 的对象机制（redisObject)？

比如说，集合类型就可以由字典和整数集合两种不同的数据结构实现，但是，当用户执行 ZADD 命令时，他/她应该不必关心集合使用的是什么编码，只要 Redis 能按照 ZADD 命令的指示，将新元素添加到集合就可以了。

这说明, 操作数据类型的命令除了要对键的类型进行检查之外, 还需要根据数据类型的不同编码进行多态处理.

为了解决以上问题, Redis 构建了自己的类型系统, 这个系统的主要功能包括:

redisObject 对象.
基于 redisObject 对象的类型检查.
基于 redisObject 对象的显式多态函数.
对 redisObject 进行分配、共享和销毁的机制.

/*
 * Redis 对象
 */
typedef struct redisObject {

    // 类型
    unsigned type:4;

    // 编码方式
    unsigned encoding:4;

    // LRU - 24位, 记录最末一次访问时间（相对于lru_clock）; 或者 LFU（最少使用的数据：8位频率，16位访问时间）
    unsigned lru:LRU_BITS; // LRU_BITS: 24

    // 引用计数
    int refcount;

    // 指向底层数据结构实例
    void *ptr;

} robj;

下图对应上面的结构

Redis 数据类型有哪些底层数据结构？

简单动态字符串 - sds
压缩列表 - ZipList
快表 - QuickList
字典/哈希表 - Dict
整数集 - IntSet
跳表 - ZSkipList

为什么要设计sds？

常数复杂度获取字符串长度

由于 len 属性的存在，我们获取 SDS 字符串的长度只需要读取 len 属性，时间复杂度为 O(1)。而对于 C 语言，获取字符串的长度通常是经过遍历计数来实现的，时间复杂度为 O(n)。通过 strlen key 命令可以获取 key 的字符串长度。

杜绝缓冲区溢出

我们知道在 C 语言中使用 strcat 函数来进行两个字符串的拼接，一旦没有分配足够长度的内存空间，就会造成缓冲区溢出。而对于 SDS 数据类型，在进行字符修改的时候，会首先根据记录的 len 属性检查内存空间是否满足需求，如果不满足，会进行相应的空间扩展，然后在进行修改操作，所以不会出现缓冲区溢出。

减少修改字符串的内存重新分配次数

C语言由于不记录字符串的长度，所以如果要修改字符串，必须要重新分配内存（先释放再申请），因为如果没有重新分配，字符串长度增大时会造成内存缓冲区溢出，字符串长度减小时会造成内存泄露。

而对于SDS，由于len属性和alloc属性的存在，对于修改字符串SDS实现了空间预分配和惰性空间释放两种策略：

空间预分配：对字符串进行空间扩展的时候，扩展的内存比实际需要的多，这样可以减少连续执行字符串增长操作所需的内存重分配次数。
惰性空间释放：对字符串进行缩短操作时，程序不立即使用内存重新分配来回收缩短后多余的字节，而是使用 alloc 属性将这些字节的数量记录下来，等待后续使用。（当然SDS也提供了相应的API，当我们有需要时，也可以手动释放这些未使用的空间。）

二进制安全

因为C字符串以空字符作为字符串结束的标识，而对于一些二进制文件（如图片等），内容可能包括空字符串，因此C字符串无法正确存取；而所有 SDS 的API 都是以处理二进制的方式来处理 buf 里面的元素，并且 SDS 不是以空字符串来判断是否结束，而是以 len 属性表示的长度来判断字符串是否结束。

兼容部分 C 字符串函数

虽然 SDS 是二进制安全的，但是一样遵从每个字符串都是以空字符串结尾的惯例，这样可以重用 C 语言库<string.h> 中的一部分函数。

Redis 一个字符串类型的值能存储最大容量是多少？

512M

为什么会设计Stream？

用过Redis做消息队列的都了解，基于Reids的消息队列实现有很多种，例如：

PUB/SUB，订阅/发布模式
- 但是发布订阅模式是无法持久化的，如果出现网络断开、Redis 宕机等，消息就会被丢弃；
基于

List LPUSH+BRPOP

或者

基于Sorted-Set

的实现
- 支持了持久化，但是不支持多播，分组消费等

消费组消费图

Redis Stream用在什么样场景？

可用作时通信等，大数据分析，异地数据备份等

客户端可以平滑扩展，提高处理能力

Redis Stream消息ID的设计是否考虑了时间回拨的问题？

XADD生成的1553439850328-0，就是Redis生成的消息ID，由两部分组成:时间戳-序号。时间戳是毫秒级单位，是生成消息的Redis服务器时间，它是个64位整型（int64）。序号是在这个毫秒时间点内的消息序号，它也是个64位整型。

可以通过multi批处理，来验证序号的递增：

127.0.0.1:6379> MULTI
OK
127.0.0.1:6379> XADD memberMessage * msg one
QUEUED
127.0.0.1:6379> XADD memberMessage * msg two
QUEUED
127.0.0.1:6379> XADD memberMessage * msg three
QUEUED
127.0.0.1:6379> XADD memberMessage * msg four
QUEUED
127.0.0.1:6379> XADD memberMessage * msg five
QUEUED
127.0.0.1:6379> EXEC
1) "1553441006884-0"
2) "1553441006884-1"
3) "1553441006884-2"
4) "1553441006884-3"
5) "1553441006884-4"

由于一个redis命令的执行很快，所以可以看到在同一时间戳内，是通过序号递增来表示消息的。

为了保证消息是有序的，因此Redis生成的ID是单调递增有序的。由于ID中包含时间戳部分，为了避免服务器时间错误而带来的问题（例如服务器时间延后了），Redis的每个Stream类型数据都维护一个latest_generated_id属性，用于记录最后一个消息的ID。若发现当前时间戳退后（小于latest_generated_id所记录的），则采用时间戳不变而序号递增的方案来作为新消息ID（这也是序号为什么使用int64的原因，保证有足够多的的序号），从而保证ID的单调递增性质。

强烈建议使用Redis的方案生成消息ID，因为这种时间戳+序号的单调递增的ID方案，几乎可以满足你全部的需求。但同时，记住ID是支持自定义的，别忘了！

Redis Stream消费者崩溃带来的会不会消息丢失问题?

为了解决组内消息读取但处理期间消费者崩溃带来的消息丢失问题，STREAM 设计了 Pending 列表，用于记录读取但并未处理完毕的消息。命令XPENDIING 用来获消费组或消费内消费者的未处理完毕的消息。演示如下：

127.0.0.1:6379> XPENDING mq mqGroup # mpGroup的Pending情况
1) (integer) 5 # 5个已读取但未处理的消息
2) "1553585533795-0" # 起始ID
3) "1553585533795-4" # 结束ID
4) 1) 1) "consumerA" # 消费者A有3个
      2) "3"
   2) 1) "consumerB" # 消费者B有1个
      2) "1"
   3) 1) "consumerC" # 消费者C有1个
      2) "1"

127.0.0.1:6379> XPENDING mq mqGroup - + 10 # 使用 start end count 选项可以获取详细信息
1) 1) "1553585533795-0" # 消息ID
   2) "consumerA" # 消费者
   3) (integer) 1654355 # 从读取到现在经历了1654355ms，IDLE
   4) (integer) 5 # 消息被读取了5次，delivery counter
2) 1) "1553585533795-1"
   2) "consumerA"
   3) (integer) 1654355
   4) (integer) 4
# 共5个，余下3个省略 ...

127.0.0.1:6379> XPENDING mq mqGroup - + 10 consumerA # 在加上消费者参数，获取具体某个消费者的Pending列表
1) 1) "1553585533795-0"
   2) "consumerA"
   3) (integer) 1641083
   4) (integer) 5
# 共3个，余下2个省略 ...

每个Pending的消息有4个属性：

消息ID
所属消费者
IDLE，已读取时长
delivery counter，消息被读取次数

上面的结果我们可以看到，我们之前读取的消息，都被记录在Pending列表中，说明全部读到的消息都没有处理，仅仅是读取了。那如何表示消费者处理完毕了消息呢？使用命令 XACK 完成告知消息处理完成，演示如下：

127.0.0.1:6379> XACK mq mqGroup 1553585533795-0 # 通知消息处理结束，用消息ID标识
(integer) 1

127.0.0.1:6379> XPENDING mq mqGroup # 再次查看Pending列表
1) (integer) 4 # 已读取但未处理的消息已经变为4个
2) "1553585533795-1"
3) "1553585533795-4"
4) 1) 1) "consumerA" # 消费者A，还有2个消息处理
      2) "2"
   2) 1) "consumerB"
      2) "1"
   3) 1) "consumerC"
      2) "1"
127.0.0.1:6379>

有了这样一个Pending机制，就意味着在某个消费者读取消息但未处理后，消息是不会丢失的。等待消费者再次上线后，可以读取该Pending列表，就可以继续处理该消息了，保证消息的有序和不丢失。

Redis Steam 坏消息问题，死信问题?

正如上面所说，如果某个消息，不能被消费者处理，也就是不能被XACK，这是要长时间处于Pending列表中，即使被反复的转移给各个消费者也是如此。此时该消息的delivery counter就会累加（上一节的例子可以看到），当累加到某个我们预设的临界值时，我们就认为是坏消息（也叫死信，DeadLetter，无法投递的消息），由于有了判定条件，我们将坏消息处理掉即可，删除即可。删除一个消息，使用XDEL语法，演示如下：

# 删除队列中的消息
127.0.0.1:6379> XDEL mq 1553585533795-1
(integer) 1
# 查看队列中再无此消息
127.0.0.1:6379> XRANGE mq - +
1) 1) "1553585533795-0"
   2) 1) "msg"
      2) "1"
2) 1) "1553585533795-2"
   2) 1) "msg"
      2) "3"

注意本例中，并没有删除Pending中的消息因此你查看Pending，消息还会在。可以执行XACK标识其处理完毕！

Redis 的持久化机制是什么？各自的优缺点？一般怎么用？

RDB持久化是把当前进程数据生成快照保存到磁盘上的过程; 针对RDB不适合实时持久化的问题，Redis提供了AOF持久化方式来解决.
AOF是“写后”日志，Redis先执行命令，把数据写入内存，然后才记录日志。日志里记录的是Redis收到的每一条命令，这些命令是以文本形式保存。
Redis 4.0 中提出了一个混合使用 AOF 日志和内存快照的方法。简单来说，内存快照以一定的频率执行，在两次快照之间，使用 AOF 日志记录这期间的所有命令操作。

这样一来，快照不用很频繁地执行，这就避免了频繁 fork 对主线程的影响。而且，AOF 日志也只用记录两次快照间的操作，也就是说，不需要记录所有操作了，因此，就不会出现文件过大的情况了，也可以避免重写开销。

如下图所示，T1 和 T2 时刻的修改，用 AOF 日志记录，等到第二次做全量快照时，就可以清空 AOF 日志，因为此时的修改都已经记录到快照中了，恢复时就不再用日志了。

这个方法既能享受到 RDB 文件快速恢复的好处，又能享受到 AOF 只记录操作命令的简单优势, 实际环境中用的很多。

RDB 触发方式?

触发rdb持久化的方式有2种，分别是手动触发和自动触发。

手动触发
- save命令：阻塞当前Redis服务器，直到RDB过程完成为止，对于内存比较大的实例会造成长时间阻塞，线上环境不建议使用
- bgsave命令：Redis进程执行fork操作创建子进程，RDB持久化过程由子进程负责，完成后自动结束。阻塞只发生在fork阶段，一般时间很短

bgsave流程图如下所示

自动触发
- redis.conf中配置save m n，即在m秒内有n次修改时，自动触发bgsave生成rdb文件；
- 主从复制时，从节点要从主节点进行全量复制时也会触发bgsave操作，生成当时的快照发送到从节点；
- 执行debug reload命令重新加载redis时也会触发bgsave操作；
- 默认情况下执行shutdown命令时，如果没有开启aof持久化，那么也会触发bgsave操作；

RDB由于生产环境中我们为Redis开辟的内存区域都比较大（例如6GB），那么将内存中的数据同步到硬盘的过程可能就会持续比较长的时间，而实际情况是这段时间Redis服务一般都会收到数据写操作请求。那么如何保证数据一致性呢？

RDB中的核心思路是Copy-on-Write，来保证在进行快照操作的这段时间，需要压缩写入磁盘上的数据在内存中不会发生变化。在正常的快照操作中，一方面Redis主进程会fork一个新的快照进程专门来做这个事情，这样保证了Redis服务不会停止对客户端包括写请求在内的任何响应。另一方面这段时间发生的数据变化会以副本的方式存放在另一个新的内存区域，待快照操作结束后才会同步到原来的内存区域。

举个例子：如果主线程对这些数据也都是读操作（例如图中的键值对 A），那么，主线程和 bgsave 子进程相互不影响。但是，如果主线程要修改一块数据（例如图中的键值对 C），那么，这块数据就会被复制一份，生成该数据的副本。然后，bgsave 子进程会把这个副本数据写入 RDB 文件，而在这个过程中，主线程仍然可以直接修改原来的数据。

在进行RDB快照操作的这段时间，如果发生服务崩溃怎么办？

很简单，在没有将数据全部写入到磁盘前，这次快照操作都不算成功。如果出现了服务崩溃的情况，将以上一次完整的RDB快照文件作为恢复内存数据的参考。也就是说，在快照操作过程中不能影响上一次的备份数据。Redis服务会在磁盘上创建一个临时文件进行数据操作，待操作成功后才会用这个临时文件替换掉上一次的备份。

可以每秒做一次RDB快照吗？

对于快照来说，所谓“连拍”就是指连续地做快照。这样一来，快照的间隔时间变得很短，即使某一时刻发生宕机了，因为上一时刻快照刚执行，丢失的数据也不会太多。但是，这其中的快照间隔时间就很关键了。

如下图所示，我们先在 T0 时刻做了一次快照，然后又在 T0+t 时刻做了一次快照，在这期间，数据块 5 和 9 被修改了。如果在 t 这段时间内，机器宕机了，那么，只能按照 T0 时刻的快照进行恢复。此时，数据块 5 和 9 的修改值因为没有快照记录，就无法恢复了。　　

所以，要想尽可能恢复数据，t 值就要尽可能小，t 越小，就越像“连拍”。那么，t 值可以小到什么程度呢，比如说是不是可以每秒做一次快照？毕竟，每次快照都是由 bgsave 子进程在后台执行，也不会阻塞主线程。

这种想法其实是错误的。虽然 bgsave 执行时不阻塞主线程，但是，如果频繁地执行全量快照，也会带来两方面的开销：

一方面，频繁将全量数据写入磁盘，会给磁盘带来很大压力，多个快照竞争有限的磁盘带宽，前一个快照还没有做完，后一个又开始做了，容易造成恶性循环。
另一方面，bgsave 子进程需要通过 fork 操作从主线程创建出来。虽然，子进程在创建后不会再阻塞主线程，但是，fork 这个创建过程本身会阻塞主线程，而且主线程的内存越大，阻塞时间越长。如果频繁 fork 出 bgsave 子进程，这就会频繁阻塞主线程了。

那么，有什么其他好方法吗？此时，我们可以做增量快照，就是指做了一次全量快照后，后续的快照只对修改的数据进行快照记录，这样可以避免每次全量快照的开销。这个比较好理解。

但是它需要我们使用额外的元数据信息去记录哪些数据被修改了，这会带来额外的空间开销问题。那么，还有什么方法既能利用 RDB 的快速恢复，又能以较小的开销做到尽量少丢数据呢？RDB和AOF的混合方式。

AOF是写前日志还是写后日志？

AOF日志采用写后日志，即先写内存，后写日志。

为什么采用写后日志？

Redis要求高性能，采用写日志有两方面好处：

避免额外的检查开销：Redis 在向 AOF 里面记录日志的时候，并不会先去对这些命令进行语法检查。所以，如果先记日志再执行命令的话，日志中就有可能记录了错误的命令，Redis 在使用日志恢复数据时，就可能会出错。
不会阻塞当前的写操作

但这种方式存在潜在风险：

如果命令执行完成，写日志之前宕机了，会丢失数据。
主线程写磁盘压力大，导致写盘慢，阻塞后续操作。

如何实现AOF的？

AOF日志记录Redis的每个写命令，步骤分为：命令追加（append）、文件写入（write）和文件同步（sync）。

命令追加 当AOF持久化功能打开了，服务器在执行完一个写命令之后，会以协议格式将被执行的写命令追加到服务器的 aof_buf 缓冲区。
文件写入和同步 关于何时将 aof_buf 缓冲区的内容写入AOF文件中，Redis提供了三种写回策略：

Always，同步写回：每个写命令执行完，立马同步地将日志写回磁盘；

Everysec，每秒写回：每个写命令执行完，只是先把日志写到AOF文件的内存缓冲区，每隔一秒把缓冲区中的内容写入磁盘；

No，操作系统控制的写回：每个写命令执行完，只是先把日志写到AOF文件的内存缓冲区，由操作系统决定何时将缓冲区内容写回磁盘。

三种写回策略的优缺点

上面的三种写回策略体现了一个重要原则：trade-off，取舍，指在性能和可靠性保证之间做取舍。

关于AOF的同步策略是涉及到操作系统的 write 函数和 fsync 函数的，在《Redis设计与实现》中是这样说明的：

为了提高文件写入效率，在现代操作系统中，当用户调用write函数，将一些数据写入文件时，操作系统通常会将数据暂存到一个内存缓冲区里，当缓冲区的空间被填满或超过了指定时限后，才真正将缓冲区的数据写入到磁盘里。

这样的操作虽然提高了效率，但也为数据写入带来了安全问题：如果计算机停机，内存缓冲区中的数据会丢失。为此，系统提供了fsync、fdatasync同步函数，可以强制操作系统立刻将缓冲区中的数据写入到硬盘里，从而确保写入数据的安全性。

什么是AOF重写？

Redis通过创建一个新的AOF文件来替换现有的AOF，新旧两个AOF文件保存的数据相同，但新AOF文件没有了冗余命令。

AOF重写会阻塞吗？

AOF重写过程是由后台进程bgrewriteaof来完成的。主线程fork出后台的bgrewriteaof子进程，fork会把主线程的内存拷贝一份给bgrewriteaof子进程，这里面就包含了数据库的最新数据。然后，bgrewriteaof子进程就可以在不影响主线程的情况下，逐一把拷贝的数据写成操作，记入重写日志。

所以aof在重写时，在fork进程时是会阻塞住主线程的。

AOF日志何时会重写？

有两个配置项控制AOF重写的触发：

auto-aof-rewrite-min-size:表示运行AOF重写时文件的最小大小，默认为64MB。

auto-aof-rewrite-percentage:这个值的计算方式是，当前aof文件大小和上一次重写后aof文件大小的差值，再除以上一次重写后aof文件大小。也就是当前aof文件比上一次重写后aof文件的增量大小，和上一次重写后aof文件大小的比值。

AOF重写日志时，有新数据写入咋整？

重写过程总结为：“一个拷贝，两处日志”。在fork出子进程时的拷贝，以及在重写时，如果有新数据写入，主线程就会将命令记录到两个aof日志内存缓冲区中。如果AOF写回策略配置的是always，则直接将命令写回旧的日志文件，并且保存一份命令至AOF重写缓冲区，这些操作对新的日志文件是不存在影响的。（旧的日志文件：主线程使用的日志文件，新的日志文件：bgrewriteaof进程使用的日志文件）

而在bgrewriteaof子进程完成会日志文件的重写操作后，会提示主线程已经完成重写操作，主线程会将AOF重写缓冲中的命令追加到新的日志文件后面。这时候在高并发的情况下，AOF重写缓冲区积累可能会很大，这样就会造成阻塞，Redis后来通过Linux管道技术让aof重写期间就能同时进行回放，这样aof重写结束后只需回放少量剩余的数据即可。

最后通过修改文件名的方式，保证文件切换的原子性。

在AOF重写日志期间发生宕机的话，因为日志文件还没切换，所以恢复数据时，用的还是旧的日志文件。

主线程fork出子进程的是如何复制内存数据的？

fork采用操作系统提供的写时复制（copy on write）机制，就是为了避免一次性拷贝大量内存数据给子进程造成阻塞。fork子进程时，子进程时会拷贝父进程的页表，即虚实映射关系（虚拟内存和物理内存的映射索引表），而不会拷贝物理内存。这个拷贝会消耗大量cpu资源，并且拷贝完成前会阻塞主线程，阻塞时间取决于内存中的数据量，数据量越大，则内存页表越大。拷贝完成后，父子进程使用相同的内存地址空间。

但主进程是可以有数据写入的，这时候就会拷贝物理内存中的数据。如下图（进程1看做是主进程，进程2看做是子进程）：

在主进程有数据写入时，而这个数据刚好在页c中，操作系统会创建这个页面的副本（页c的副本），即拷贝当前页的物理数据，将其映射到主进程中，而子进程还是使用原来的的页c。

在重写日志整个过程时，主线程有哪些地方会被阻塞？

fork子进程时，需要拷贝虚拟页表，会对主线程阻塞。
主进程有bigkey写入时，操作系统会创建页面的副本，并拷贝原有的数据，会对主线程阻塞。
子进程重写日志完成后，主进程追加aof重写缓冲区时可能会对主线程阻塞。

为什么AOF重写不复用原AOF日志？

两方面原因：

父子进程写同一个文件会产生竞争问题，影响父进程的性能。
如果AOF重写过程中失败了，相当于污染了原本的AOF文件，无法做恢复数据使用。

Redis 过期键的删除策略有哪些?

在单机版Redis中，存在两种删除策略：

惰性删除：服务器不会主动删除数据，只有当客户端查询某个数据时，服务器判断该数据是否过期，如果过期则删除。
定期删除：服务器执行定时任务删除过期数据，但是考虑到内存和CPU的折中（删除会释放内存，但是频繁的删除操作对CPU不友好），该删除的频率和执行时间都受到了限制。

在主从复制场景下，为了主从节点的数据一致性，从节点不会主动删除数据，而是由主节点控制从节点中过期数据的删除。由于主节点的惰性删除和定期删除策略，都不能保证主节点及时对过期数据执行删除操作，因此，当客户端通过Redis从节点读取数据时，很容易读取到已经过期的数据。

Redis 3.2中，从节点在读取数据时，增加了对数据是否过期的判断：如果该数据已过期，则不返回给客户端；将Redis升级到3.2可以解决数据过期问题。

Redis 内存淘汰算法有哪些?

Redis共支持八种淘汰策略，分别是noeviction、volatile-random、volatile-ttl、volatile-lru、volatile-lfu、allkeys-lru、allkeys-random 和 allkeys-lfu 策略。

怎么理解呢？主要看分三类看：

不淘汰
- noeviction （v4.0后默认的）
对设置了过期时间的数据中进行淘汰
- 随机：volatile-random
- ttl：volatile-ttl
- lru：volatile-lru
- lfu：volatile-lfu
全部数据进行淘汰
- 随机：allkeys-random
- lru：allkeys-lru
- lfu：allkeys-lfu

LRU算法：LRU 算法的全称是 Least Recently Used，按照最近最少使用的原则来筛选数据。这种模式下会使用 LRU 算法筛选设置了过期时间的键值对。

Redis优化的LRU算法实现：

Redis会记录每个数据的最近一次被访问的时间戳。在Redis在决定淘汰的数据时，第一次会随机选出 N 个数据，把它们作为一个候选集合。接下来，Redis 会比较这 N 个数据的 lru 字段，把 lru 字段值最小的数据从缓存中淘汰出去。通过随机读取待删除集合，可以让Redis不用维护一个巨大的链表，也不用操作链表，进而提升性能。

LFU 算法：LFU 缓存策略是在 LRU 策略基础上，为每个数据增加了一个计数器，来统计这个数据的访问次数。当使用 LFU 策略筛选淘汰数据时，首先会根据数据的访问次数进行筛选，把访问次数最低的数据淘汰出缓存。如果两个数据的访问次数相同，LFU 策略再比较这两个数据的访问时效性，把距离上一次访问时间更久的数据淘汰出缓存。 Redis的LFU算法实现:

当 LFU 策略筛选数据时，Redis 会在候选集合中，根据数据 lru 字段的后 8bit 选择访问次数最少的数据进行淘汰。当访问次数相同时，再根据 lru 字段的前 16bit 值大小，选择访问时间最久远的数据进行淘汰。

Redis 只使用了 8bit 记录数据的访问次数，而 8bit 记录的最大值是 255，这样在访问快速的情况下，如果每次被访问就将访问次数加一，很快某条数据就达到最大值255，可能很多数据都是255，那么退化成LRU算法了。所以Redis为了解决这个问题，实现了一个更优的计数规则，并可以通过配置项，来控制计数器增加的速度。

Redis的内存用完了会发生什么？

如果达到设置的上限，Redis的写命令会返回错误信息（但是读命令还可以正常返回。）或者你可以配置内存淘汰机制，当Redis达到内存上限时会冲刷掉旧的内容。

Redis如何做内存优化？

缩减键值对象: 缩减键（key）和值（value）的长度，

key长度：如在设计键时，在完整描述业务情况下，键值越短越好。

value长度：值对象缩减比较复杂，常见需求是把业务对象序列化成二进制数组放入Redis。首先应该在业务上精简业务对象，去掉不必要的属性避免存储无效数据。其次在序列化工具选择上，应该选择更高效的序列化工具来降低字节数组大小。以JAVA为例，内置的序列化方式无论从速度还是压缩比都不尽如人意，这时可以选择更高效的序列化工具，如: protostuff，kryo等，下图是JAVA常见序列化工具空间压缩对比。

共享对象池

对象共享池指Redis内部维护[0-9999]的整数对象池。创建大量的整数类型redisObject存在内存开销，每个redisObject内部结构至少占16字节，甚至超过了整数自身空间消耗。所以Redis内存维护一个[0-9999]的整数对象池，用于节约内存。除了整数值对象，其他类型如list,hash,set,zset内部元素也可以使用整数对象池。因此开发中在满足需求的前提下，尽量使用整数对象以节省内存。

字符串优化
编码优化
控制key的数量

Redis key 的过期时间和永久有效分别怎么设置？

EXPIRE 和 PERSIST 命令

Redis 中的管道有什么用？

一次请求/响应服务器能实现处理新的请求即使旧的请求还未被响应，这样就可以将多个命令发送到服务器，而不用等待回复，最后在一个步骤中读取该答复。

这就是管道（pipelining），是一种几十年来广泛使用的技术。例如许多 POP3 协议已经实现支持这个功能，大大加快了从服务器下载新邮件的过程。

什么是redis事务？

Redis 事务的本质是一组命令的集合。事务支持一次执行多个命令，一个事务中所有命令都会被序列化。在事务执行过程，会按照顺序串行化执行队列中的命令，其他客户端提交的命令请求不会插入到事务执行命令序列中。

总结说：redis事务就是一次性、顺序性、排他性的执行一个队列中的一系列命令。

Redis事务相关命令？

MULTI 、 EXEC 、 DISCARD 和 WATCH 是 Redis 事务相关的命令。

MULTI ：开启事务，redis会将后续的命令逐个放入队列中，然后使用EXEC命令来原子化执行这个命令系列。
EXEC：执行事务中的所有操作命令。
DISCARD：取消事务，放弃执行事务块中的所有命令。
WATCH：监视一个或多个key,如果事务在执行前，这个key(或多个key)被其他命令修改，则事务被中断，不会执行事务中的任何命令。
UNWATCH：取消WATCH对所有key的监视。

Redis事务的三个阶段？

Redis事务执行是三个阶段：

开启：以MULTI开始一个事务
入队：将多个命令入队到事务中，接到这些命令并不会立即执行，而是放到等待执行的事务队列里面
执行：由EXEC命令触发事务

当一个客户端切换到事务状态之后，服务器会根据这个客户端发来的不同命令执行不同的操作：

如果客户端发送的命令为 EXEC 、 DISCARD 、 WATCH 、 MULTI 四个命令的其中一个，那么服务器立即执行这个命令。
与此相反，如果客户端发送的命令是 EXEC 、 DISCARD 、 WATCH 、 MULTI 四个命令以外的其他命令，那么服务器并不立即执行这个命令，而是将这个命令放入一个事务队列里面，然后向客户端返回 QUEUED 回复。

Redis事务其它实现？

基于Lua脚本，Redis可以保证脚本内的命令一次性、按顺序地执行，其同时也不提供事务运行错误的回滚，执行过程中如果部分命令运行错误，剩下的命令还是会继续运行完
基于中间标记变量，通过另外的标记变量来标识事务是否执行完成，读取数据时先读取该标记变量判断是否事务执行完成。但这样会需要额外写代码实现，比较繁琐

Redis事务中出现错误的处理？

语法错误（编译器错误）

在开启事务后，修改k1值为11，k2值为22，但k2语法错误，最终导致事务提交失败，k1、k2保留原值。

127.0.0.1:6379> set k1 v1
OK
127.0.0.1:6379> set k2 v2
OK
127.0.0.1:6379> MULTI
OK
127.0.0.1:6379> set k1 11
QUEUED
127.0.0.1:6379> sets k2 22
(error) ERR unknown command `sets`, with args beginning with: `k2`, `22`, 
127.0.0.1:6379> exec
(error) EXECABORT Transaction discarded because of previous errors.
127.0.0.1:6379> get k1
"v1"
127.0.0.1:6379> get k2
"v2"
127.0.0.1:6379>

Redis类型错误（运行时错误）

在开启事务后，修改k1值为11，k2值为22，但将k2的类型作为List，在运行时检测类型错误，最终导致事务提交失败，此时事务并没有回滚，而是跳过错误命令继续执行，结果k1值改变、k2保留原值

127.0.0.1:6379> set k1 v1
OK
127.0.0.1:6379> set k1 v2
OK
127.0.0.1:6379> MULTI
OK
127.0.0.1:6379> set k1 11
QUEUED
127.0.0.1:6379> lpush k2 22
QUEUED
127.0.0.1:6379> EXEC
1) OK
2) (error) WRONGTYPE Operation against a key holding the wrong kind of value
127.0.0.1:6379> get k1
"11"
127.0.0.1:6379> get k2
"v2"
127.0.0.1:6379>

Redis事务中watch是如何监视实现的呢？

Redis使用WATCH命令来决定事务是继续执行还是回滚，那就需要在MULTI之前使用WATCH来监控某些键值对，然后使用MULTI命令来开启事务，执行对数据结构操作的各种命令，此时这些命令入队列。

当使用EXEC执行事务时，首先会比对WATCH所监控的键值对，如果没发生改变，它会执行事务队列中的命令，提交事务；如果发生变化，将不会执行事务中的任何命令，同时事务回滚。当然无论是否回滚，Redis都会取消执行事务前的WATCH命令。

为什么 Redis 不支持回滚？

以下是这种做法的优点：

Redis 命令只会因为错误的语法而失败（并且这些问题不能在入队时发现），或是命令用在了错误类型的键上面：这也就是说，从实用性的角度来说，失败的命令是由编程错误造成的，而这些错误应该在开发的过程中被发现，而不应该出现在生产环境中。
因为不需要对回滚进行支持，所以 Redis 的内部可以保持简单且快速。

有种观点认为 Redis 处理事务的做法会产生 bug ，然而需要注意的是，在通常情况下， 回滚并不能解决编程错误带来的问题。举个例子，如果你本来想通过 INCR 命令将键的值加上 1 ，却不小心加上了 2 ，又或者对错误类型的键执行了 INCR ，回滚是没有办法处理这些情况的。

Redis 对 ACID的支持性理解？

原子性atomicity

首先通过上文知道运行期的错误是不会回滚的，很多文章由此说Redis事务违背原子性的；而官方文档认为是遵从原子性的。

Redis官方文档给的理解是，Redis的事务是原子性的：所有的命令，要么全部执行，要么全部不执行。而不是完全成功。

一致性consistency

redis事务可以保证命令失败的情况下得以回滚，数据能恢复到没有执行之前的样子，是保证一致性的，除非redis进程意外终结。

隔离性Isolation

redis事务是严格遵守隔离性的，原因是redis是单进程单线程模式(v6.0之前），可以保证命令执行过程中不会被其他客户端命令打断。

但是，Redis不像其它结构化数据库有隔离级别这种设计。

持久性Durability

redis事务是不保证持久性的，这是因为redis持久化策略中不管是RDB还是AOF都是异步执行的，不保证持久性是出于对性能的考虑。

Redis事务其他实现？

基于Lua脚本，Redis可以保证脚本内的命令一次性、按顺序地执行，其同时也不提供事务运行错误的回滚，执行过程中如果部分命令运行错误，剩下的命令还是会继续运行完

基于中间标记变量，通过另外的标记变量来标识事务是否执行完成，读取数据时先读取该标记变量判断是否事务执行完成。但这样会需要额外写代码实现，比较繁琐

Redis集群的主从复制模型是怎样的？

主从复制，是指将一台Redis服务器的数据，复制到其他的Redis服务器。前者称为主节点(master)，后者称为从节点(slave)；数据的复制是单向的，只能由主节点到从节点。

主从复制的作用主要包括：

数据冗余：主从复制实现了数据的热备份，是持久化之外的一种数据冗余方式。
故障恢复：当主节点出现问题时，可以由从节点提供服务，实现快速的故障恢复；实际上是一种服务的冗余。
负载均衡：在主从复制的基础上，配合读写分离，可以由主节点提供写服务，由从节点提供读服务（即写Redis数据时应用连接主节点，读Redis数据时应用连接从节点），分担服务器负载；尤其是在写少读多的场景下，通过多个从节点分担读负载，可以大大提高Redis服务器的并发量。
高可用基石：除了上述作用以外，主从复制还是哨兵和集群能够实施的基础，因此说主从复制是Redis高可用的基础。

主从库之间采用的是读写分离的方式。

读操作：主库、从库都可以接收；
写操作：首先到主库执行，然后，主库将写操作同步给从库。

注意：在2.8版本之前只有全量复制，而2.8版本后有全量和增量复制：

全量（同步）复制：比如第一次同步时
增量（同步）复制：只会把主从库网络断连期间主库收到的命令，同步给从库

Redis 全量复制的三个阶段？

第一阶段是主从库间建立连接、协商同步的过程，主要是为全量复制做准备。在这一步，从库和主库建立起连接，并告诉主库即将进行同步，主库确认回复后，主从库间就可以开始同步了。

具体来说，从库给主库发送 psync 命令，表示要进行数据同步，主库根据这个命令的参数来启动复制。psync 命令包含了主库的 runID 和复制进度 offset 两个参数。runID，是每个 Redis 实例启动时都会自动生成的一个随机 ID，用来唯一标记这个实例。当从库和主库第一次复制时，因为不知道主库的 runID，所以将 runID 设为“？”。offset，此时设为 -1，表示第一次复制。主库收到 psync 命令后，会用 FULLRESYNC 响应命令带上两个参数：主库 runID 和主库目前的复制进度 offset，返回给从库。从库收到响应后，会记录下这两个参数。这里有个地方需要注意，FULLRESYNC 响应表示第一次复制采用的全量复制，也就是说，主库会把当前所有的数据都复制给从库。

第二阶段，主库将所有数据同步给从库。从库收到数据后，在本地完成数据加载。这个过程依赖于内存快照生成的 RDB 文件。

具体来说，主库执行 bgsave 命令，生成 RDB 文件，接着将文件发给从库。从库接收到 RDB 文件后，会先清空当前数据库，然后加载 RDB 文件。这是因为从库在通过 replicaof 命令开始和主库同步前，可能保存了其他数据。为了避免之前数据的影响，从库需要先把当前数据库清空。在主库将数据同步给从库的过程中，主库不会被阻塞，仍然可以正常接收请求。否则，Redis 的服务就被中断了。但是，这些请求中的写操作并没有记录到刚刚生成的 RDB 文件中。为了保证主从库的数据一致性，主库会在内存中用专门的 replication buffer，记录 RDB 文件生成后收到的所有写操作。

第三个阶段，主库会把第二阶段执行过程中新收到的写命令，再发送给从库。具体的操作是，当主库完成 RDB 文件发送后，就会把此时 replication buffer 中的修改操作发给从库，从库再重新执行这些操作。这样一来，主从库就实现同步了。

Redis 为什么会设计增量复制？

如果主从库在命令传播时出现了网络闪断，那么，从库就会和主库重新进行一次全量复制，开销非常大。从 Redis 2.8 开始，网络断了之后，主从库会采用增量复制的方式继续同步。

Redis 增量复制的流程？

先看两个概念： replication buffer 和 repl_backlog_buffer

repl_backlog_buffer：它是为了从库断开之后，如何找到主从差异数据而设计的环形缓冲区，从而避免全量复制带来的性能开销。如果从库断开时间太久，repl_backlog_buffer环形缓冲区被主库的写命令覆盖了，那么从库连上主库后只能乖乖地进行一次全量复制，所以repl_backlog_buffer配置尽量大一些，可以降低主从断开后全量复制的概率。而在repl_backlog_buffer中找主从差异的数据后，如何发给从库呢？这就用到了replication buffer。

replication buffer：Redis和客户端通信也好，和从库通信也好，Redis都需要给分配一个内存buffer进行数据交互，客户端是一个client，从库也是一个client，我们每个client连上Redis后，Redis都会分配一个client buffer，所有数据交互都是通过这个buffer进行的：Redis先把数据写到这个buffer中，然后再把buffer中的数据发到client socket中再通过网络发送出去，这样就完成了数据交互。所以主从在增量同步时，从库作为一个client，也会分配一个buffer，只不过这个buffer专门用来传播用户的写命令到从库，保证主从数据一致，我们通常把它叫做replication buffer。

增量复制如果在网络断开期间，repl_backlog_size环形缓冲区写满之后，从库是会丢失掉那部分被覆盖掉的数据，还是直接进行全量复制呢？

对于这个问题来说，有两个关键点：

一个从库如果和主库断连时间过长，造成它在主库repl_backlog_buffer的slave_repl_offset位置上的数据已经被覆盖掉了，此时从库和主库间将进行全量复制。
每个从库会记录自己的slave_repl_offset，每个从库的复制进度也不一定相同。在和主库重连进行恢复时，从库会通过psync命令把自己记录的slave_repl_offset发给主库，主库会根据从库各自的复制进度，来决定这个从库可以进行增量复制，还是全量复制。

Redis 为什么不持久化的主服务器自动重启非常危险呢?

我们设置节点A为主服务器，关闭持久化，节点B和C从节点A复制数据。
这时出现了一个崩溃，但Redis具有自动重启系统，重启了进程，因为关闭了持久化，节点重启后只有一个空的数据集。
节点B和C从节点A进行复制，现在节点A是空的，所以节点B和C上的复制数据也会被删除。
当在高可用系统中使用Redis Sentinel，关闭了主服务器的持久化，并且允许自动重启，这种情况是很危险的。比如主服务器可能在很短的时间就完成了重启，以至于Sentinel都无法检测到这次失败，那么上面说的这种失败的情况就发生了。

如果数据比较重要，并且在使用主从复制时关闭了主服务器持久化功能的场景中，都应该禁止实例自动重启。

Redis 为什么主从全量复制使用RDB而不使用AOF？

1、RDB文件内容是经过压缩的二进制数据（不同数据类型数据做了针对性优化），文件很小。而AOF文件记录的是每一次写操作的命令，写操作越多文件会变得很大，其中还包括很多对同一个key的多次冗余操作。在主从全量数据同步时，传输RDB文件可以尽量降低对主库机器网络带宽的消耗，从库在加载RDB文件时，一是文件小，读取整个文件的速度会很快，二是因为RDB文件存储的都是二进制数据，从库直接按照RDB协议解析还原数据即可，速度会非常快，而AOF需要依次重放每个写命令，这个过程会经历冗长的处理逻辑，恢复速度相比RDB会慢得多，所以使用RDB进行主从全量复制的成本最低。

2、假设要使用AOF做全量复制，意味着必须打开AOF功能，打开AOF就要选择文件刷盘的策略，选择不当会严重影响Redis性能。而RDB只有在需要定时备份和主从全量复制数据时才会触发生成一次快照。而在很多丢失数据不敏感的业务场景，其实是不需要开启AOF的。

Redis 为什么还有无磁盘复制模式？

Redis 默认是磁盘复制，但是如果使用比较低速的磁盘，这种操作会给主服务器带来较大的压力。Redis从2.8.18版本开始尝试支持无磁盘的复制。使用这种设置时，子进程直接将RDB通过网络发送给从服务器，不使用磁盘作为中间存储。

无磁盘复制模式：master创建一个新进程直接dump RDB到slave的socket，不经过主进程，不经过硬盘。适用于disk较慢，并且网络较快的时候。

使用repl-diskless-sync配置参数来启动无磁盘复制。

使用repl-diskless-sync-delay 参数来配置传输开始的延迟时间；master等待一个repl-diskless-sync-delay的秒数，如果没slave来的话，就直接传，后来的得排队等了; 否则就可以一起传。

Redis 为什么还会有从库的从库的设计？

通过分析主从库间第一次数据同步的过程，你可以看到，一次全量复制中，对于主库来说，需要完成两个耗时的操作：生成 RDB 文件和传输 RDB 文件。

如果从库数量很多，而且都要和主库进行全量复制的话，就会导致主库忙于 fork 子进程生成 RDB 文件，进行数据全量复制。fork 这个操作会阻塞主线程处理正常请求，从而导致主库响应应用程序的请求速度变慢。此外，传输 RDB 文件也会占用主库的网络带宽，同样会给主库的资源使用带来压力。那么，有没有好的解决方法可以分担主库压力呢？

其实是有的，这就是“主 - 从 - 从”模式。

在刚才介绍的主从库模式中，所有的从库都是和主库连接，所有的全量复制也都是和主库进行的。现在，我们可以通过“主 - 从 - 从”模式将主库生成 RDB 和传输 RDB 的压力，以级联的方式分散到从库上。

简单来说，我们在部署主从集群的时候，可以手动选择一个从库（比如选择内存资源配置较高的从库），用于级联其他的从库。然后，我们可以再选择一些从库（例如三分之一的从库），在这些从库上执行如下命令，让它们和刚才所选的从库，建立起主从关系。

replicaof 所选从库的IP 6379

这样一来，这些从库就会知道，在进行同步时，不用再和主库进行交互了，只要和级联的从库进行写操作同步就行了，这就可以减轻主库上的压力，如下图所示：

级联的“主-从-从”模式好了，到这里，我们了解了主从库间通过全量复制实现数据同步的过程，以及通过“主 - 从 - 从”模式分担主库压力的方式。那么，一旦主从库完成了全量复制，它们之间就会一直维护一个网络连接，主库会通过这个连接将后续陆续收到的命令操作再同步给从库，这个过程也称为基于长连接的命令传播，可以避免频繁建立连接的开销。

Redis哨兵机制？哨兵实现了什么功能呢?

哨兵的核心功能是主节点的自动故障转移。

下图是一个典型的哨兵集群监控的逻辑图：

哨兵实现了什么功能呢？下面是Redis官方文档的描述：

监控（Monitoring） ：哨兵会不断地检查主节点和从节点是否运作正常。
自动故障转移（Automatic failover） ：当主节点不能正常工作时，哨兵会开始自动故障转移操作，它会将失效主节点的其中一个从节点升级为新的主节点，并让其他从节点改为复制新的主节点。
配置提供者（Configuration provider） ：客户端在初始化时，通过连接哨兵来获得当前Redis服务的主节点地址。
通知（Notification） ：哨兵可以将故障转移的结果发送给客户端。

其中，监控和自动故障转移功能，使得哨兵可以及时发现主节点故障并完成转移；而配置提供者和通知功能，则需要在与客户端的交互中才能体现。

Redis 哨兵集群是通过什么方式组建的？

哨兵实例之间可以相互发现，要归功于 Redis 提供的 pub/sub 机制，也就是发布 / 订阅机制。

在主从集群中，主库上有一个名为__sentinel__:hello的频道，不同哨兵就是通过它来相互发现，实现互相通信的。在下图中，哨兵 1 把自己的 IP（172.16.19.3）和端口（26579）发布到__sentinel__:hello频道上，哨兵 2 和 3 订阅了该频道。那么此时，哨兵 2 和 3 就可以从这个频道直接获取哨兵 1 的 IP 地址和端口号。然后，哨兵 2、3 可以和哨兵 1 建立网络连接。

通过这个方式，哨兵 2 和 3 也可以建立网络连接，这样一来，哨兵集群就形成了。它们相互间可以通过网络连接进行通信，比如说对主库有没有下线这件事儿进行判断和协商。

Redis 哨兵是如何监控Redis集群的？

这是由哨兵向主库发送 INFO 命令来完成的。就像下图所示，哨兵 2 给主库发送 INFO 命令，主库接受到这个命令后，就会把从库列表返回给哨兵。接着，哨兵就可以根据从库列表中的连接信息，和每个从库建立连接，并在这个连接上持续地对从库进行监控。哨兵 1 和 3 可以通过相同的方法和从库建立连接。

Redis 哨兵如何判断主库已经下线了呢？

首先要理解两个概念：主观下线和客观下线

主观下线：任何一个哨兵都是可以监控探测，并作出Redis节点下线的判断；
客观下线：有哨兵集群共同决定Redis节点是否下线；

当某个哨兵（如下图中的哨兵2）判断主库“主观下线”后，就会给其他哨兵发送 is-master-down-by-addr 命令。接着，其他哨兵会根据自己和主库的连接情况，做出 Y 或 N 的响应，Y 相当于赞成票，N 相当于反对票。

如果赞成票数（这里是2）是大于等于哨兵配置文件中的 quorum 配置项（比如这里如果是quorum=2）, 则可以判定主库客观下线了。

Redis 哨兵的选举机制是什么样的？

为什么必然会出现选举/共识机制？

为了避免哨兵的单点情况发生，所以需要一个哨兵的分布式集群。作为分布式集群，必然涉及共识问题（即选举问题）；同时故障的转移和通知都只需要一个主的哨兵节点就可以了。

哨兵的选举机制是什么样的？

哨兵的选举机制其实很简单，就是一个Raft选举算法： 选举的票数大于等于num(sentinels)/2+1时，将成为领导者，如果没有超过，继续选举

Raft算法你可以参看这篇文章分布式算法 - Raft算法

任何一个想成为 Leader 的哨兵，要满足两个条件

：
- 第一，拿到半数以上的赞成票；
- 第二，拿到的票数同时还需要大于等于哨兵配置文件中的 quorum 值。

以 3 个哨兵为例，假设此时的 quorum 设置为 2，那么，任何一个想成为 Leader 的哨兵只要拿到 2 张赞成票，就可以了。

Redis 1主4从，5个哨兵，哨兵配置quorum为2，如果3个哨兵故障，当主库宕机时，哨兵能否判断主库“客观下线”？能否自动切换？

经过实际测试：

1、哨兵集群可以判定主库“主观下线”。由于quorum=2，所以当一个哨兵判断主库“主观下线”后，询问另外一个哨兵后也会得到同样的结果，2个哨兵都判定“主观下线”，达到了quorum的值，因此，哨兵集群可以判定主库为“客观下线” 。

2、但哨兵不能完成主从切换。哨兵标记主库“客观下线后”，在选举“哨兵领导者”时，一个哨兵必须拿到超过多数的选票(5/2+1=3票)。但目前只有2个哨兵活着，无论怎么投票，一个哨兵最多只能拿到2票，永远无法达到N/2+1选票的结果。

主库判定客观下线了，那么如何从剩余的从库中选择一个新的主库呢？

过滤掉不健康的（下线或断线），没有回复过哨兵ping响应的从节点
选择salve-priority从节点优先级最高（redis.conf）的
选择复制偏移量最大，只复制最完整的从节点

新的主库选择出来后，如何进行故障的转移？

假设根据我们一开始的图：（我们假设：判断主库客观下线了，同时选出sentinel 3是哨兵leader）

故障转移流程如下：

将slave-1脱离原从节点（PS: 5.0 中应该是replicaof no one)，升级主节点，
将从节点slave-2指向新的主节点
通知客户端主节点已更换
将原主节点（oldMaster）变成从节点，指向新的主节点

转移之后

Redis事件机制?

Redis中的事件驱动库只关注网络IO，以及定时器。该事件库处理下面两类事件：

文件事件(file event)：用于处理 Redis 服务器和客户端之间的网络IO。
时间事件(time eveat)：Redis 服务器中的一些操作（比如serverCron函数）需要在给定的时间点执行，而时间事件就是处理这类定时操作的。

事件驱动库的代码主要是在src/ae.c中实现的，其示意图如下所示。

aeEventLoop是整个事件驱动的核心，它管理着文件事件表和时间事件列表，不断地循环处理着就绪的文件事件和到期的时间事件。

Redis文件事件的模型？

Redis基于Reactor模式开发了自己的网络事件处理器，也就是文件事件处理器。文件事件处理器使用IO多路复用技术，同时监听多个套接字，并为套接字关联不同的事件处理函数。当套接字的可读或者可写事件触发时，就会调用相应的事件处理函数。

1. 为什么单线程的 Redis 能那么快？

Redis的瓶颈主要在IO而不是CPU，所以为了省开发量，在6.0版本前是单线程模型；其次，Redis 是单线程主要是指 Redis 的网络 IO 和键值对读写是由一个线程来完成的，这也是 Redis 对外提供键值存储服务的主要流程。（但 Redis 的其他功能，比如持久化、异步删除、集群数据同步等，其实是由额外的线程执行的）。

Redis 采用了多路复用机制使其在网络 IO 操作中能并发处理大量的客户端请求，实现高吞吐率。

2. Redis事件响应框架ae_event及文件事件处理器

Redis并没有使用 libevent 或者 libev 这样的成熟开源方案，而是自己实现一个非常简洁的事件驱动库 ae_event。@pdai

Redis 使用的IO多路复用技术主要有：select、epoll、evport和kqueue等。每个IO多路复用函数库在 Redis 源码中都对应一个单独的文件，比如ae_select.c，ae_epoll.c， ae_kqueue.c等。Redis 会根据不同的操作系统，按照不同的优先级选择多路复用技术。事件响应框架一般都采用该架构，比如 netty 和 libevent。

如下图所示，文件事件处理器有四个组成部分，它们分别是套接字、I/O多路复用程序、文件事件分派器以及事件处理器。

文件事件是对套接字操作的抽象，每当一个套接字准备好执行 accept、read、write和 close 等操作时，就会产生一个文件事件。因为 Redis 通常会连接多个套接字，所以多个文件事件有可能并发的出现。

I/O多路复用程序负责监听多个套接字，并向文件事件派发器传递那些产生了事件的套接字。

尽管多个文件事件可能会并发地出现，但I/O多路复用程序总是会将所有产生的套接字都放到同一个队列(也就是后文中描述的aeEventLoop的fired就绪事件表)里边，然后文件事件处理器会以有序、同步、单个套接字的方式处理该队列中的套接字，也就是处理就绪的文件事件。

什么是Redis发布订阅？

Redis 发布订阅(pub/sub)是一种消息通信模式：发送者(pub)发送消息，订阅者(sub)接收消息。

Redis 的 SUBSCRIBE 命令可以让客户端订阅任意数量的频道，每当有新信息发送到被订阅的频道时，信息就会被发送给所有订阅指定频道的客户端。

作为例子，下图展示了频道 channel1 ，以及订阅这个频道的三个客户端 —— client2 、 client5 和 client1 之间的关系：

当有新消息通过 PUBLISH 命令发送给频道 channel1 时，这个消息就会被发送给订阅它的三个客户端：

Redis发布订阅有哪两种方式？

基于频道(Channel)的发布/订阅

"发布/订阅"模式包含两种角色，分别是发布者和订阅者。发布者可以向指定的频道(channel)发送消息; 订阅者可以订阅一个或者多个频道(channel),所有订阅此频道的订阅者都会收到此消息。

基于模式(pattern)的发布/订阅

下图展示了一个带有频道和模式的例子，其中 tweet.shop.* 模式匹配了 tweet.shop.kindle 频道和 tweet.shop.ipad 频道，并且有不同的客户端分别订阅它们三个：

当有信息发送到 tweet.shop.kindle 频道时，信息除了发送给 clientX 和 clientY 之外，还会发送给订阅 tweet.shop.* 模式的 client123 和 client256 ：

另一方面，如果接收到信息的是频道 tweet.shop.ipad ，那么 client123 和 client256 同样会收到信息：

什么是Redis Cluster？

Redis-cluster是一种服务器Sharding技术，Redis3.0以后版本正式提供支持。

说说Redis哈希槽的概念？为什么是16384个？

Redis-cluster没有使用一致性hash，而是引入了哈希槽的概念。Redis-cluster中有16384(即2的14次方）个哈希槽，每个key通过CRC16校验后对16383取模来决定放置哪个槽。Cluster中的每个节点负责一部分hash槽（hash slot）。

比如集群中存在三个节点，则可能存在的一种分配如下：

节点A包含0到5500号哈希槽；
节点B包含5501到11000号哈希槽；
节点C包含11001 到 16384号哈希槽。

为什么是16384个

在redis节点发送心跳包时需要把所有的槽放到这个心跳包里，以便让节点知道当前集群信息，16384=16k，在发送心跳包时使用char进行bitmap压缩后是2k（2 * 8 (8 bit) * 1024(1k) = 16K），也就是说使用2k的空间创建了16k的槽数。

虽然使用CRC16算法最多可以分配65535（2^16-1）个槽位，65535=65k，压缩后就是8k（8 * 8 (8 bit) * 1024(1k) =65K），也就是说需要需要8k的心跳包，作者认为这样做不太值得；并且一般情况下一个redis集群不会有超过1000个master节点，所以16k的槽位是个比较合适的选择。

Redis集群会有写操作丢失吗？为什么？

Redis并不能保证数据的强一致性，这意味这在实际中集群在特定的条件下可能会丢失写操作。

Redis 客户端有哪些？

Redisson、Jedis、lettuce等等，官方推荐使用Redisson。

Redisson是一个高级的分布式协调Redis客服端，能帮助用户在分布式环境中轻松实现一些Java的对象 (Bloom filter, BitSet, Set, SetMultimap, ScoredSortedSet, SortedSet, Map, ConcurrentMap, List, ListMultimap, Queue, BlockingQueue, Deque, BlockingDeque, Semaphore, Lock, ReadWriteLock, AtomicLong, CountDownLatch, Publish / Subscribe, HyperLogLog)。

Redis如何做大量数据插入？

Redis2.6开始redis-cli支持一种新的被称之为pipe mode的新模式用于执行大量数据插入工作。

Redis实现分布式锁实现? 什么是 RedLock?

常规

加锁： SET NX PX + 校验唯一随机值

解锁： Lua脚本

RedLock

搞多个Redis master部署，以保证它们不会同时宕掉。并且这些master节点是完全相互独立的，相互之间不存在数据同步。同时，需要确保在这多个master实例上，是与在Redis单实例，使用相同方法来获取和释放锁。

Redisson框架

Redisson watchdog或者它实现了RedLock方式

具体可以看后文分布式锁中实现方式。

Redis缓存有哪些问题，如何解决？

当缓存库出现时，必须要考虑如下问题：

缓存穿透
- 问题来源: 缓存穿透是指缓存和数据库中都没有的数据，而用户不断发起请求。由于缓存是不命中时被动写的，并且出于容错考虑，如果从存储层查不到数据则不写入缓存，这将导致这个不存在的数据每次请求都要到存储层去查询，失去了缓存的意义。
- 解决方案
  - 接口层增加校验，如用户鉴权校验，id做基础校验，id<=0的直接拦截；
  - 从缓存取不到的数据，在数据库中也没有取到，这时也可以将key-value对写为key-null，缓存有效时间可以设置短点，如30秒（设置太长会导致正常情况也没法使用）。这样可以防止攻击用户反复用同一个id暴力攻击
  - 布隆过滤器。bloomfilter就类似于一个hash set，用于快速判某个元素是否存在于集合中，其典型的应用场景就是快速判断一个key是否存在于某容器，不存在就直接返回。布隆过滤器的关键就在于hash算法和容器大小
缓存穿击
- 问题来源: 缓存击穿是指缓存中没有但数据库中有的数据（一般是缓存时间到期），这时由于并发用户特别多，同时读缓存没读到数据，又同时去数据库去取数据，引起数据库压力瞬间增大，造成过大压力。
- 解决方案
  - 设置热点数据永远不过期。
  - 接口限流与熔断，降级。重要的接口一定要做好限流策略，防止用户恶意刷接口，同时要降级准备，当接口中的某些服务不可用时候，进行熔断，失败快速返回机制。
  - 加互斥锁
缓存雪崩
- 问题来源: 缓存雪崩是指缓存中数据大批量到过期时间，而查询数据量巨大，引起数据库压力过大甚至down机。和缓存击穿不同的是，缓存击穿指并发查同一条数据，缓存雪崩是不同数据都过期了，很多数据都查不到从而查数据库。
- 解决方案
  - 缓存数据的过期时间设置随机，防止同一时间大量数据过期现象发生。
  - 如果缓存数据库是分布式部署，将热点数据均匀分布在不同的缓存数据库中。
  - 设置热点数据永远不过期。
缓存污染（或者满了）

缓存污染问题说的是缓存中一些只会被访问一次或者几次的的数据，被访问完后，再也不会被访问到，但这部分数据依然留存在缓存中，消耗缓存空间。

缓存污染会随着数据的持续增加而逐渐显露，随着服务的不断运行，缓存中会存在大量的永远不会再次被访问的数据。缓存空间是有限的，如果缓存空间满了，再往缓存里写数据时就会有额外开销，影响Redis性能。这部分额外开销主要是指写的时候判断淘汰策略，根据淘汰策略去选择要淘汰的数据，然后进行删除操作。

Redis性能问题有哪些，如何分析定位解决?

举几个例子

看延迟 60 秒内的最大响应延迟：

$ redis-cli -h 127.0.0.1 -p 6379 --intrinsic-latency 60
Max latency so far: 1 microseconds.
Max latency so far: 15 microseconds.
Max latency so far: 17 microseconds.
Max latency so far: 18 microseconds.
Max latency so far: 31 microseconds.
Max latency so far: 32 microseconds.
Max latency so far: 59 microseconds.
Max latency so far: 72 microseconds.
 
1428669267 total runs (avg latency: 0.0420 microseconds / 42.00 nanoseconds per run).
Worst run took 1429x longer than the average latency.

慢日志（slowlog）

慢查询，就会导致后面的请求发生排队，对于客户端来说，响应延迟也会变长。

bigkey

大对象

集中过期

一般有两种方案来规避这个问题：

集中过期 key 增加一个随机过期时间，把集中过期的时间打散，降低 Redis 清理过期 key 的压力
如果你使用的 Redis 是 4.0 以上版本，可以开启 lazy-free 机制，当删除过期 key 时，把释放内存的操作放到后台线程中执行，避免阻塞主线程

fork耗时严重

主进程创建子进程，会调用操作系统提供的 fork 函数

使用Swap

当内存中的数据被换到磁盘上后，Redis 再访问这些数据时，就需要从磁盘上读取，访问磁盘的速度要比访问内存慢几百倍！

内存碎片

Redis 4.0 版本，它正好提供了自动碎片整理的功能，可以通过配置开启碎片自动整理

Redis单线程模型？在6.0之前如何提高多核CPU的利用率？

可以在同一个服务器部署多个Redis的实例，并把他们当作不同的服务器来使用，在某些时候，无论如何一个服务器是不够的，所以，如果你想使用多个CPU，你可以考虑一下分片（shard）。

Redis6.0之前的版本真的是单线程的吗?

Redis在处理客户端请求时,包括获取(socket读)、解析、执行、内容返回(socket写)等都是由一个顺序串行的主线程执行的,这就是所谓的单线程.单如果严格讲,从Redis4.0之后并不是单线程,除了主线程之外,它也有后台线程在处理一些较为缓慢的操作,例如清理脏数据, 无用链接的释放, 大key的删除, 数据持久化bgsave,bgrewriteaof等,都是在主线程之外的子线程单独执行的.

Redis6.0之前为什么一致不用多线程?

官方曾做过类似问题的回复：使用Redis时，几乎不存在CPU成为瓶颈的情况， Redis主要受限于内存和网络。例如在一个普通的Linux系统上，Redis通过使用pipelining每秒可以处理100万个请求，所以如果应用程序主要使用O(N)或O(log(N))的命令，它几乎不会占用太多CPU。

使用了单线程后，可维护性高。多线程模型虽然在某些方面表现优异，但是它却引入了程序执行顺序的不确定性，带来了并发读写的一系列问题，增加了系统复杂度、同时可能存在线程切换、甚至加锁解锁、死锁造成的性能损耗。Redis通过AE事件模型以及IO多路复用等技术，处理性能非常高，因此没有必要使用多线程。单线程机制使得 Redis 内部实现的复杂度大大降低，Hash 的惰性 Rehash、Lpush 等等 “线程不安全” 的命令都可以无锁进行。

Redis6.0为什么要引入多线程呢？

Redis将所有数据放在内存中，内存的响应时长大约为100纳秒，对于小数据包，Redis服务器可以处理80,000到100,000 QPS，这也是Redis处理的极限了，对于80%的公司来说，单线程的Redis已经足够使用了。

但随着越来越复杂的业务场景，有些公司动不动就上亿的交易量，因此需要更大的QPS。常见的解决方案是在分布式架构中对数据进行分区并采用多个服务器，但该方案有非常大的缺点，例如要管理的Redis服务器太多，维护代价大；某些适用于单个Redis服务器的命令不适用于数据分区；数据分区无法解决热点读/写问题；数据偏斜，重新分配和放大/缩小变得更加复杂等等。

从Redis自身角度来说，因为读写网络的read/write系统调用占用了Redis执行期间大部分CPU时间，瓶颈主要在于网络的 IO 消耗, 优化主要有两个方向:

提高网络 IO 性能，典型的实现比如使用 DPDK 来替代内核网络栈的方式
使用多线程充分利用多核，典型的实现比如 Memcached

协议栈优化的这种方式跟 Redis 关系不大，支持多线程是一种最有效最便捷的操作方式。所以总结起来，redis支持多线程主要就是两个原因：

可以充分利用服务器 CPU 资源，目前主线程只能利用一个核
多线程任务可以分摊 Redis 同步 IO 读写负荷

Redis6.0默认是否开启了多线程？

Redis6.0的多线程默认是禁用的，只使用主线程。如需开启需要修改redis.conf配置文件：io-threads-do-reads yes

Redis6.0多线程开启时，线程数如何设置？

开启多线程后，还需要设置线程数，否则是不生效的。同样修改redis.conf配置文件 io-threads4

关于线程数的设置，官方有一个建议：4核的机器建议设置为2或3个线程，8核的建议设置为6个线程，线程数一定要小于机器核数。还需要注意的是，线程数并不是越大越好，官方认为超过了8个基本就没什么意义了。

Redis6.0多线程的实现机制？

核心思路是，将主线程的IO读写任务拆分出来给一组独立的线程执行，使得多个 socket 的读写可以并行化

主线程负责接收建立连接的请求,获取socket放到全局等待处理队列
主线程处理完读事件之后,通过Round Robin将这些连接分配给IO线程(并不会等待队列满)
主线程阻塞等待IO线程读取socket完毕
主线程通过单线程的方式执行请求命令，请求数据读取并解析完成，但并不执行
主线程阻塞等待IO线程将数据回写socket完毕
解除绑定,清空等待队列

该线程有如下特点:

IO线程要么同时在读socket，要么同时在写，不会同时读或写
IO线程只负责读写socket解析命令，不负责命令处理（主线程串行执行命令）

开启多线程后，是否会存在线程并发安全问题？

Redis的多线程部分只是用来处理网络数据的读写和协议解析，执行命令仍然是单线程顺序执行,因此不存在线程的并发安全问题

8.4 MongoDB

什么是MongoDB？为什么使用MongoDB？

MongoDB是面向文档的NoSQL数据库，用于大量数据存储。MongoDB是一个在2000年代中期问世的数据库。属于NoSQL数据库的类别。以下是一些为什么应该开始使用MongoDB的原因

面向文档的–由于MongoDB是NoSQL类型的数据库，它不是以关系类型的格式存储数据，而是将数据存储在文档中。这使得MongoDB非常灵活，可以适应实际的业务环境和需求。
临时查询-MongoDB支持按字段，范围查询和正则表达式搜索。可以查询返回文档中的特定字段。
索引-可以创建索引以提高MongoDB中的搜索性能。MongoDB文档中的任何字段都可以建立索引。
复制-MongoDB可以提供副本集的高可用性。副本集由两个或多个mongo数据库实例组成。每个副本集成员可以随时充当主副本或辅助副本的角色。主副本是与客户端交互并执行所有读/写操作的主服务器。辅助副本使用内置复制维护主数据的副本。当主副本发生故障时，副本集将自动切换到辅助副本，然后它将成为主服务器。
负载平衡-MongoDB使用分片的概念，通过在多个MongoDB实例之间拆分数据来水平扩展。MongoDB可以在多台服务器上运行，以平衡负载或复制数据，以便在硬件出现故障时保持系统正常运行。

MongoDB与RDBMS区别？有哪些术语？

下表将帮助您更容易理解Mongo中的一些概念：

SQL术语/概念	MongoDB术语/概念	解释/说明
database	database	数据库
table	collection	数据库表/集合
row	document	数据记录行/文档
column	field	数据字段/域
index	index	索引
table joins		表连接,MongoDB不支持
primary key	primary key	主键,MongoDB自动将_id字段设置为主键

MongoDB聚合的管道方式？

Aggregation Pipline：类似于将SQL中的group by + order by + left join ... 等操作管道化。MongoDB的聚合管道（Pipline）将MongoDB文档在一个阶段（Stage）处理完毕后将结果传递给下一个阶段（Stage）处理。阶段（Stage）操作是可以重复的。

MongoDB聚合的Map Reduce方式？

Spring Data 和MongoDB集成？

引入mongodb-driver, 使用最原生的方式通过Java调用mongodb提供的Java driver;
引入
```
spring-data-mongo
```
, 自行配置使用spring data 提供的对MongoDB的封装
- 使用MongoTemplate 的方式
- 使用MongoRespository 的方式
引入spring-data-mongo-starter, 采用spring autoconfig机制自动装配，然后再使用MongoTemplate或者MongoRespository方式。

MongoDB 有哪几种存储引擎？

MongoDB一共提供了三种存储引擎：WiredTiger，MMAPV1和In Memory；在MongoDB3.2之前采用的是MMAPV1; 后续版本v3.2开始默认采用WiredTiger；且在v4.2版本中移除了MMAPV1的引擎。

谈谈你对MongoDB WT存储引擎的理解？

从几个方面回答，比如：

插件式存储引擎架构

实现了Server层和存储引擎层的解耦，可以支持多种存储引擎，如MySQL既可以支持B-Tree结构的InnoDB存储引擎，还可以支持LSM结构的RocksDB存储引擎。

B-Tree + Page

上图是WiredTiger在内存里面的大概布局图，通过它我们可梳理清楚存储引擎是如何将数据加载到内存，然后如何通过相应数据结构来支持查询、插入、修改操作的。

内存里面B-Tree包含三种类型的page，即rootpage、internal page和leaf page，前两者包含指向其子页的page index指针，不包含集合中的真正数据，leaf page包含集合中的真正数据即keys/values和指向父页的home指针；

为什么是Page？

数据以page为单位加载到cache、cache里面又会生成各种不同类型的page及为不同类型的page分配不同大小的内存、eviction触发机制和reconcile动作都发生在page上、page大小持续增加时会被分割成多个小page，所有这些操作都是围绕一个page来完成的。

Page的典型生命周期如下图所示：

什么是CheckPoint?

本质上来说，Checkpoint相当于一个日志，记录了上次Checkpoint后相关数据文件的变化。作用：一是将内存里面发生修改的数据写到数据文件进行持久化保存，确保数据一致性；二是实现数据库在某个时刻意外发生故障，再次启动时，缩短数据库的恢复时间，WiredTiger存储引擎中的Checkpoint模块就是来实现这个功能的。

一个Checkpoint包含关键信息如下图所示：

每个checkpoint包含一个root page、三个指向磁盘具体位置上pages的列表以及磁盘上文件的大小。

如何理解WT事务机制？

要了解实现先要知道它的事务的构造和使用相关的技术，WT在实现事务的时使用主要是使用了三个技术：snapshot(事务快照) 、MVCC (多版本并发控制)和 redo log(重做日志) ，为了实现这三个技术，它还定义了一个基于这三个技术的事务对象和全局事务管理器。

如何理解WT缓存淘汰？

eviction cache是一个LRU cache，即页面置换算法缓冲区，它对数据页采用的是分段局部扫描和淘汰，而不是对内存中所有的数据页做全局管理。基本思路是一个线程阶段性的去扫描各个btree，并把btree可以进行淘汰的数据页添加到一个lru queue中，当queue填满了后记录下这个过程当前的btree对象和btree的位置（这个位置是为了作为下次阶段性扫描位置）,然后对queue中的数据页按照访问热度排序，最后各个淘汰线程按照淘汰优先级淘汰queue中的数据页，整个过程是周期性重复。WT的这个evict过程涉及到多个eviction thread和hazard pointer技术。

WT的evict过程都是以page为单位做淘汰，而不是以K/V。这一点和memcache、redis等常用的缓存LRU不太一样，因为在磁盘上数据的最小描述单位是page block，而不是记录。

MongoDB为什么要引入复制集？有哪些成员？

什么是复制集？

保证数据在生产部署时的冗余和可靠性，通过在不同的机器上保存副本来保证数据的不会因为单点损坏而丢失。能够随时应对数据丢失、机器损坏带来的风险。换一句话来说，还能提高读取能力，用户的读取服务器和写入服务器在不同的地方，而且，由不同的服务器为不同的用户提供服务，提高整个系统的负载。

在MongoDB中就是复制集（replica set) ：一组复制集就是一组mongod实例掌管同一个数据集，实例可以在不同的机器上面。实例中包含一个主导，接受客户端所有的写入操作，其他都是副本实例，从主服务器上获得数据并保持同步。

基本的成员

?
- 主节点（Primary）
  
  包含了所有的写操作的日志。但是副本服务器集群包含有所有的主服务器数据，因此当主服务器挂掉了，就会在副本服务器上重新选取一个成为主服务器。MongoDB还细化将从节点（Primary）进行了细化
  - Priority0 Priority0节点的选举优先级为0，不会被选举为Primary
  - Hidden
    
    隐藏节点将不会收到来自应用程序的请求, 可使用Hidden节点做一些数据备份、离线计算的任务，不会影响复制集的服务
    - Delayed Delayed节点必须是Hidden节点，并且其数据落后与Primary一段时间（可配置，比如1个小时）；当错误或者无效的数据写入Primary时，可通过Delayed节点的数据来恢复到之前的时间点。
- 从节点（Seconary） 正常情况下，复制集的Seconary会参与Primary选举（自身也可能会被选为Primary），并从Primary同步最新写入的数据，以保证与Primary存储相同的数据；增加Secondary节点可以提供复制集的读服务能力，同时提升复制集的可用性。
- 仲裁节点（Arbiter） Arbiter节点只参与投票，不能被选为Primary，并且不从Primary同步数据。比如你部署了一个2个节点的复制集，1个Primary，1个Secondary，任意节点宕机，复制集将不能提供服务了（无法选出Primary），这时可以给复制集添加一个Arbiter节点，即使有节点宕机，仍能选出Primary。

MongoDB复制集常见部署架构？

分别从三节点的单数据中心，和五节点的多数据中心来说：

三节点的单数据中心

三节点：一主两从方式
- 一个主节点；
- 两个从节点组成，主节点宕机时，这两个从节点都可以被选为主节点。

当主节点宕机后,两个从节点都会进行竞选，其中一个变为主节点，当原主节点恢复后，作为从节点加入当前的复制集群即可。

一主一从一仲裁方式
- 一个主节点
- 一个从节点，可以在选举中成为主节点
- 一个仲裁节点，在选举中，只进行投票，不能成为主节点

当主节点宕机时，将会选择从节点成为主，主节点修复后，将其加入到现有的复制集群中即可。

对于具有5个成员的复制集，成员的一些可能的分布包括（相关注意事项和三个节点一致，这里仅展示分布方案）：

两个数据中心

：数据中心1的三个成员和数据中心2的两个成员。
- 如果数据中心1发生故障，则复制集将变为只读。
- 如果数据中心2发生故障，则复制集将保持可写状态，因为数据中心1中的成员可以创建多数。
三个数据中心

：两个成员是数据中心1，两个成员是数据中心2，一个成员是站点数据中心3。
- 如果任何数据中心发生故障，复制集将保持可写状态，因为其余成员可以举行选举。

例如，以下5个成员复制集将其成员分布在三个数据中心中。

MongoDB复制集是如何保证数据高可用的？

通过两方面阐述：一个是选举机制，另一个是故障转移期间的回滚。

如何选出Primary主节点的?

假设复制集内能够投票的成员数量为N，则大多数为 N/2 + 1，当复制集内存活成员数量不足大多数时，整个复制集将无法选举出Primary，复制集将无法提供写服务，处于只读状态。

举例：3投票节点需要2个节点的赞成票，容忍选举失败次数为1；5投票节点需要3个节点的赞成票，容忍选举失败次数为2；通常投票节点为奇数，这样可以减少选举失败的概率。

在以下的情况将触发选举机制：

往复制集中新加入节点
初始化复制集时
对复制集进行维护时，比如rs.stepDown()或者rs.reconfig()操作时
从节点失联时，比如超时（默认是10秒）

故障转移期间的回滚

当成员在故障转移后重新加入其复制集时，回滚将还原以前的主在数据库上的写操作。 本质上就是保证数据的一致性。

仅当主服务器接受了在主服务器降级之前辅助服务器未成功复制的写操作时，才需要回滚。当主数据库作为辅助数据库重新加入集合时，它会还原或“回滚”其写入操作，以保持数据库与其他成员的一致性。

MongoDB复制集如何同步数据？

复制集中的数据同步是为了维护共享数据集的最新副本，包括复制集的辅助成员同步或复制其他成员的数据。 MongoDB使用两种形式的数据同步：

初始同步(Initial Sync)

以使用完整的数据集填充新成员, 即

全量同步
- 新节点加入，无任何oplog，此时需先进性initial sync
- initial sync开始时，会主动将initialSyncFlag字段设置为true，正常结束后再设置为false；如果节点重启时，发现initialSyncFlag为true，说明上次全量同步中途失败了，此时应该重新进行initial sync
- 当用户发送resync命令时，initialSyncRequested会设置为true，此时会重新开始一次initial sync
复制(Replication)

以将正在进行的更改应用于整个数据集, 即

增量同步
- initial sync结束后，接下来Secondary就会『不断拉取主上新产生的optlog并重放』

MongoDB为什么要引入分片？

高数据量和吞吐量的数据库应用会对单机的性能造成较大压力, 大的查询量会将单机的CPU耗尽, 大的数据量对单机的存储压力较大, 最终会耗尽系统的内存而将压力转移到磁盘IO上。

为了解决这些问题, 有两个基本的方法: 垂直扩展和水平扩展。

垂直扩展：增加更多的CPU和存储资源来扩展容量。
水平扩展：将数据集分布在多个服务器上。MongoDB的分片就是水平扩展的体现。

分片设计思想

分片为应对高吞吐量与大数据量提供了方法。使用分片减少了每个分片需要处理的请求数，因此，通过水平扩展，集群可以提高自己的存储容量和吞吐量。举例来说，当插入一条数据时，应用只需要访问存储这条数据的分片.

分片目的

读/写能力提升
存储容量扩容
高可用性

MongoDB分片集群的结构？

一个MongoDB的分片集群包含如下组件：

shard: 即分片，真正的数据存储位置，以chunk为单位存数据；每个分片可以部署为一个复制集。
mongos: 查询的路由, 提供客户端和分片集群之间的接口。
config servers: 存储元数据和配置数据。

这里要注意mongos提供的是客户端application与MongoDB分片集群的路由功能，这里分片集群包含了分片的collection和非分片的collection。如下展示了通过路由访问分片的collection和非分片的collection:

MongoDB分片的内部是如何管理数据的呢？

在一个shard server内部，MongoDB还是会把数据分为chunks，每个chunk代表这个shard server内部一部分数据。chunk的产生，会有以下两个用途：

Splitting：当一个chunk的大小超过配置中的chunk size时，MongoDB的后台进程会把这个chunk切分成更小的chunk，从而避免chunk过大的情况
Balancing：在MongoDB中，balancer是一个后台进程，负责chunk的迁移，从而均衡各个shard server的负载，系统初始1个chunk，chunk size默认值64M,生产库上选择适合业务的chunk size是最好的。MongoDB会自动拆分和迁移chunks。

分片集群的数据分布（shard节点）

使用chunk来存储数据
进群搭建完成之后，默认开启一个chunk，大小是64M，
存储需求超过64M，chunk会进行分裂，如果单位时间存储需求很大，设置更大的chunk
chunk会被自动均衡迁移。

chunk分裂及迁移

随着数据的增长，其中的数据大小超过了配置的chunk size，默认是64M，则这个chunk就会分裂成两个。数据的增长会让chunk分裂得越来越多。

这时候，各个shard 上的chunk数量就会不平衡。这时候，mongos中的一个组件balancer 就会执行自动平衡。把chunk从chunk数量最多的shard节点挪动到数量最少的节点。

MongoDB 中Collection的数据是根据什么进行分片的呢？

MongoDB 中Collection的数据是根据什么进行分片的呢？这就是我们要介绍的分片键（Shard key） ；那么又是采用过了什么算法进行分片的呢？这就是紧接着要介绍的范围分片（range sharding）和哈希分片（Hash Sharding) 。

哈希分片（Hash Sharding)

分片过程中利用哈希索引作为分片，基于哈希片键最大的好处就是保证数据在各个节点分布基本均匀。

对于基于哈希的分片，MongoDB计算一个字段的哈希值，并用这个哈希值来创建数据块。在使用基于哈希分片的系统中，拥有相近分片键的文档很可能不会存储在同一个数据块中，因此数据的分离性更好一些。

范围分片（range sharding）

将单个Collection的数据分散存储在多个shard上，用户可以指定根据集合内文档的某个字段即shard key来进行范围分片（range sharding）。

对于基于范围的分片，MongoDB按照片键的范围把数据分成不同部分:

在使用片键做范围划分的系统中，拥有相近分片键的文档很可能存储在同一个数据块中，因此也会存储在同一个分片中。

哈希和范围的结合

如下是基于X索引字段进行范围分片，但是随着X的增长，大于20的数据全部进入了Chunk C, 这导致了数据的不均衡。

这时对X索引字段建哈希索引：

MongoDB如何做备份恢复？

JSON格式：mongoexport/mongoimport

JSON可读性强但体积较大，JSON虽然具有较好的跨版本通用性，但其只保留了数据部分，不保留索引，账户等其他基础信息。

BSON格式：mongoexport/mongoimport

BSON则是二进制文件，体积小但对人类几乎没有可读性。

MongoDB如何设计文档模型？

举几个例子：

多态模式

当集合中的所有文档都具有相似但不相同的结构时，我们将其称为多态模式；比如运动员的运动记录：

属性模式

出于性能原因考虑，为了优化搜索我们可能需要许多索引以照顾到所有子集。创建所有这些索引可能会降低性能。属性模式为这种情况提供了一个很好的解决方案。

假设现在有一个关于电影的集合。其中所有文档中可能都有类似的字段：标题、导演、制片人、演员等等。假如我们希望在上映日期这个字段进行搜索，这时面临的挑战是“哪个上映日期”？在不同的国家，电影通常在不同的日期上映。

{
    title: "Star Wars",
    director: "George Lucas",
    ...
    release_US: ISODate("1977-05-20T01:00:00+01:00"),
    release_France: ISODate("1977-10-19T01:00:00+01:00"),
    release_Italy: ISODate("1977-10-20T01:00:00+01:00"),
    release_UK: ISODate("1977-12-27T01:00:00+01:00"),
    ...
}

使用属性模式，我们可以将此信息移至数组中并减少对索引需求。我们将这些信息转换成一个包含键值对的数组：

{
    title: "Star Wars",
    director: "George Lucas",
    …
    releases: [
        {
        location: "USA",
        date: ISODate("1977-05-20T01:00:00+01:00")
        },
        {
        location: "France",
        date: ISODate("1977-10-19T01:00:00+01:00")
        },
        {
        location: "Italy",
        date: ISODate("1977-10-20T01:00:00+01:00")
        },
        {
        location: "UK",
        date: ISODate("1977-12-27T01:00:00+01:00")
        },
        … 
    ],
    … 
}

桶模式

这种模式在处理物联网（IOT）、实时分析或通用时间序列数据时特别有效。通过将数据放在一起，我们可以更容易地将数据组织成特定的组，提高发现历史趋势或提供未来预测的能力，同时还能对存储进行优化。

随着数据在一段时间内持续流入（时间序列数据），我们可能倾向于将每个测量值存储在自己的文档中。然而，这种倾向是一种非常偏向于关系型数据处理的方式。如果我们有一个传感器每分钟测量温度并将其保存到数据库中，我们的数据流可能看起来像这样：

{
   sensor_id: 12345,
   timestamp: ISODate("2019-01-31T10:00:00.000Z"),
   temperature: 40
}

{
   sensor_id: 12345,
   timestamp: ISODate("2019-01-31T10:01:00.000Z"),
   temperature: 40
}

{
   sensor_id: 12345,
   timestamp: ISODate("2019-01-31T10:02:00.000Z"),
   temperature: 41
}

通过将桶模式应用于数据模型，我们可以在节省索引大小、简化潜在的查询以及在文档中使用预聚合数据的能力等方面获得一些收益。获取上面的数据流并对其应用桶模式，我们可以得到：

{
    sensor_id: 12345,
    start_date: ISODate("2019-01-31T10:00:00.000Z"),
    end_date: ISODate("2019-01-31T10:59:59.000Z"),
    measurements: [
       {
       timestamp: ISODate("2019-01-31T10:00:00.000Z"),
       temperature: 40
       },
       {
       timestamp: ISODate("2019-01-31T10:01:00.000Z"),
       temperature: 40
       },
       … 
       {
       timestamp: ISODate("2019-01-31T10:42:00.000Z"),
       temperature: 42
       }
    ],
   transaction_count: 42,
   sum_temperature: 2413
}

MongoDB如何进行性能优化？

慢查询

为了定位查询，需要查看当前mongo profile的级别, profile的级别有0|1|2，分别代表意思: 0代表关闭，1代表记录慢命令，2代表全部

db.getProfilingLevel()

显示为0，表示默认下是没有记录的。

设置profile级别，设置为记录慢查询模式, 所有超过1000ms的查询语句都会被记录下来

db.setProfilingLevel(1, 1000)

8.5 ElasticSearch

ElasticSearch是什么？基于Lucene的，那么为什么不是直接使用Lucene呢？

Lucene 可以说是当下最先进、高性能、全功能的搜索引擎库。Elasticsearch 也是使用 Java 编写的，它的内部使用 Lucene 做索引与搜索，但是它的目的是使全文检索变得简单，通过隐藏 Lucene 的复杂性，取而代之的提供一套简单一致的 RESTful API。

然而，Elasticsearch 不仅仅是 Lucene，并且也不仅仅只是一个全文搜索引擎：

一个分布式的实时文档存储，每个字段可以被索引与搜索
一个分布式实时分析搜索引擎
能胜任上百个服务节点的扩展，并支持 PB 级别的结构化或者非结构化数据

一个ES和数据库的对比

ELK 技术栈的常见应用场景？

日志系统

增加数据源，和使用MQ

Metric收集和APM性能监控

ES中索引模板是什么？

索引模板是一种告诉Elasticsearch在创建索引时如何配置索引的方法。

使用方式

在创建索引之前可以先配置模板，这样在创建索引（手动创建索引或通过对文档建立索引）时，模板设置将用作创建索引的基础。

模板类型

组件模板是可重用的构建块，用于配置映射，设置和别名；它们不会直接应用于一组索引。
索引模板可以包含组件模板的集合，也可以直接指定设置，映射和别名。

ES中索引的生命周期管理？

为什么会引入？

随着时间的增长索引的数量也会持续增长，然而这些场景基本上只有最近一段时间的数据有使用价值或者会被经常使用（热数据），而历史数据几乎没有作用或者很少会被使用（冷数据），这个时候就需要对索引进行一定策略的维护管理甚至是删除清理，否则随着数据量越来越多除了浪费磁盘与内存空间之外，还会严重影响 Elasticsearch 的性能。

哪个版本引入的？

在 Elastic Stack 6.6 版本后推出了新功能 Index Lifecycle Management(索引生命周期管理)，支持针对索引的全生命周期托管管理，并且在 Kibana 上也提供了一套UI界面来配置策略。

索引生命周期常见的阶段

？
- hot: 索引还存在着大量的读写操作。
- warm:索引不存在写操作，还有被查询的需要。
- cold:数据不存在写操作，读操作也不多。
- delete:索引不再需要，可以被安全删除。

ES查询和聚合的有哪些方式？

DSL
- 基于文本 - match, query string
- 基于词项 - term
- 复合查询 - 5种
EQL

Elastic Query Language
- bucket
- metric
- pipline
SQL

ES查询中query和filter的区别？

query 是查询+score, 而filter仅包含查询，比如在复合查询中constant_score查询无需计算score，所以对应查询是filter而不是query。

比如

GET /test-dsl-constant/_search
{
  "query": {
    "constant_score": {
      "filter": {
        "term": { "content": "apple" }
      },
      "boost": 1.2
    }
  }
}

ES查询中match和term的区别？

term是基于索引的词项，而match基于文本。

比如：

GET /test-dsl-match/_search
{
    "query": {
        "match": {
            "title": "BROWN DOG"
        }
    }
}

等同于

GET /test-dsl-match/_search
{
  "query": {
    "match": {
      "title": {
        "query": "BROWN DOG",
        "operator": "or"
      }
    }
  }
}

也等同于

GET /test-dsl-match/_search
{
  "query": {
    "bool": {
      "should": [
        {
          "term": {
            "title": "brown"
          }
        },
        {
          "term": {
            "title": "dog"
          }
        }
      ]
    }
  }
}

ES查询中should和must的区别？

should是任意匹配，must是同时匹配。

比如，接上面的例子是should(任意匹配），而如下查询是must(同时匹配)：

GET /test-dsl-match/_search
{
  "query": {
    "match": {
      "title": {
        "query": "BROWN DOG",
        "operator": "and"
      }
    }
  }
}

等同于

GET /test-dsl-match/_search
{
  "query": {
    "bool": {
      "must": [
        {
          "term": {
            "title": "brown"
          }
        },
        {
          "term": {
            "title": "dog"
          }
        }
      ]
    }
  }
}

ES查询中match，match_phrase和match_phrase_prefix有什么区别？

match本质上是对term组合，match_phrase本质是连续的term的查询（and关系），match_phrase_prefix在match_phrase基础上提供了一种可以查最后一个词项是前缀的方法

比如：

某个字段内容是“quick brown fox”, 如果我们需要查询包含“quick brown f”，就需要使用match_phrase_prefix，因为f不是完整的term分词，不能用match_phrase。

ES查询中什么是复合查询？有哪些复合查询方式？

在查询中会有多种条件组合的查询，在ElasticSearch中叫复合查询。它提供了5种复合查询方式：

bool query(布尔查询)
- 通过布尔逻辑将较小的查询组合成较大的查询。
boosting query(提高查询)
- 不同于bool查询，bool查询中只要一个子查询条件不匹配那么搜索的数据就不会出现。而boosting query则是降低显示的权重/优先级（即score)。
constant_score（固定分数查询）
- 查询某个条件时，固定的返回指定的score；显然当不需要计算score时，只需要filter条件即可，因为filter context忽略score。
dis_max(最佳匹配查询）
- 分离最大化查询（Disjunction Max Query）指的是：将任何与任一查询匹配的文档作为结果返回，但只将最佳匹配的评分作为查询的评分结果返回。
function_score(函数查询）
- 简而言之就是用自定义function的方式来计算_score。

ES聚合中的Bucket聚合有哪些？如何理解？

设计上大概分为三类（当然有些是第二和第三类的融合）

ES聚合中的Metric聚合有哪些？如何理解？

如何理解？

从分类看：Metric聚合分析分为单值分析和多值分析两类
从功能看：根据具体的应用场景设计了一些分析api, 比如地理位置，百分数等等

单值分析

: 只输出一个分析结果
- 标准stat型
  - avg 平均值
  - max 最大值
  - min 最小值
  - sum 和
  - value_count 数量
- 其它类型
  - cardinality 基数（distinct去重）
  - weighted_avg 带权重的avg
  - median_absolute_deviation 中位值
多值分析

: 单值之外的
- stats型
  - stats 包含avg,max,min,sum和count
  - matrix_stats 针对矩阵模型
  - extended_stats
  - string_stats 针对字符串
- 百分数型
  - percentiles 百分数范围
  - percentile_ranks 百分数排行
- 地理位置型
  - geo_bounds Geo bounds
  - geo_centroid Geo-centroid
  - geo_line Geo-Line
- Top型
  - top_hits 分桶后的top hits
  - top_metrics

ES聚合中的管道聚合有哪些？如何理解？

简单而言：让上一步的聚合结果成为下一个聚合的输入，这就是管道。

如何理解？

第一个维度：管道聚合有很多不同类型，每种类型都与其他聚合计算不同的信息，但是可以将这些类型分为两类：

父级父级聚合的输出提供了一组管道聚合，它可以计算新的存储桶或新的聚合以添加到现有存储桶中。
兄弟同级聚合的输出提供的管道聚合，并且能够计算与该同级聚合处于同一级别的新聚合。

第二个维度：根据功能设计的意图

比如前置聚合可能是Bucket聚合，后置的可能是基于Metric聚合，那么它就可以成为一类管道

进而引出了：xxx bucket

Bucket聚合 -> Metric聚合

： bucket聚合的结果，成为下一步metric聚合的输入
- Average bucket
- Min bucket
- Max bucket
- Sum bucket
- Stats bucket
- Extended stats bucket

...

如何理解ES的结构和底层实现？

ES的整体结构

?
- 一个 ES Index 在集群模式下，有多个 Node （节点）组成。每个节点就是 ES 的Instance (实例)。
- 每个节点上会有多个 shard （分片）， P1 P2 是主分片, R1 R2 是副本分片
- 每个分片上对应着就是一个 Lucene Index（底层索引文件）
- Lucene Index 是一个统称
  - 由多个 Segment （段文件，就是倒排索引）组成。每个段文件存储着就是 Doc 文档。
  - commit point记录了所有 segments 的信息

底层和数据文件

？
- 倒排索引（词典+倒排表）
- doc values - 列式存储
- 正向文件 - 行式存储

文件的关系如下：

ES内部读取文档是怎样的？如何实现的？

主分片或者副本分片检索文档的步骤顺序：

客户端向 Node 1 发送获取请求。
节点使用文档的 _id 来确定文档属于分片 0 。分片 0 的副本分片存在于所有的三个节点上。在这种情况下，它将请求转发到 Node 2 。
Node 2 将文档返回给 Node 1 ，然后将文档返回给客户端。

在处理读取请求时，协调结点在每次请求的时候都会通过轮询所有的副本分片来达到负载均衡。

读取文档的两阶段查询？

所有的搜索系统一般都是两阶段查询，第一阶段查询到匹配的DocID，第二阶段再查询DocID对应的完整文档，这种在Elasticsearch中称为query_then_fetch。（这里主要介绍最常用的2阶段查询）。

在初始查询阶段时，查询会广播到索引中每一个分片拷贝（主分片或者副本分片）。每个分片在本地执行搜索并构建一个匹配文档的大小为 from + size 的优先队列。PS：在2. 搜索的时候是会查询Filesystem Cache的，但是有部分数据还在Memory Buffer，所以搜索是近实时的。
每个分片返回各自优先队列中所有文档的 ID 和排序值给协调节点，它合并这些值到自己的优先队列中来产生一个全局排序后的结果列表。
接下来就是取回阶段，协调节点辨别出哪些文档需要被取回并向相关的分片提交多个 GET 请求。每个分片加载并丰富文档，如果有需要的话，接着返回文档给协调节点。一旦所有的文档都被取回了，协调节点返回结果给客户端。

ES内部索引文档是怎样的？如何实现的？

新建单个文档所需要的步骤顺序：

客户端向 Node 1 发送新建、索引或者删除请求。
节点使用文档的 _id 确定文档属于分片 0 。请求会被转发到 Node 3，因为分片 0 的主分片目前被分配在 Node 3 上。
Node 3 在主分片上面执行请求。如果成功了，它将请求并行转发到 Node 1 和 Node 2 的副本分片上。一旦所有的副本分片都报告成功, Node 3 将向协调节点报告成功，协调节点向客户端报告成功。

看下整体的索引流程

协调节点默认使用文档ID参与计算（也支持通过routing），以便为路由提供合适的分片。

shard = hash(document_id) % (num_of_primary_shards)

当分片所在的节点接收到来自协调节点的请求后，会将请求写入到Memory Buffer，然后定时（默认是每隔1秒）写入到Filesystem Cache，这个从Momery Buffer到Filesystem Cache的过程就叫做refresh；
当然在某些情况下，存在Momery Buffer和Filesystem Cache的数据可能会丢失，ES是通过translog的机制来保证数据的可靠性的。其实现机制是接收到请求后，同时也会写入到translog中，当Filesystem cache中的数据写入到磁盘中时，才会清除掉，这个过程叫做flush。
在flush过程中，内存中的缓冲将被清除，内容被写入一个新段，段的fsync将创建一个新的提交点，并将内容刷新到磁盘，旧的translog将被删除并开始一个新的translog。 flush触发的时机是定时触发（默认30分钟）或者translog变得太大（默认为512M）时。

ES底层数据持久化的过程？

通过分步骤看数据持久化过程：write -> refresh -> flush -> merge

write 过程

一个新文档过来，会存储在 in-memory buffer 内存缓存区中，顺便会记录 Translog（Elasticsearch 增加了一个 translog ，或者叫事务日志，在每一次对 Elasticsearch 进行操作时均进行了日志记录）。

这时候数据还没到 segment ，是搜不到这个新文档的。数据只有被 refresh 后，才可以被搜索到。

refresh 过程

refresh 默认 1 秒钟，执行一次上图流程。ES 是支持修改这个值的，通过 index.refresh_interval 设置 refresh （冲刷）间隔时间。refresh 流程大致如下：

in-memory buffer 中的文档写入到新的 segment 中，但 segment 是存储在文件系统的缓存中。此时文档可以被搜索到
最后清空 in-memory buffer。注意: Translog 没有被清空，为了将 segment 数据写到磁盘
文档经过 refresh 后， segment 暂时写到文件系统缓存，这样避免了性能 IO 操作，又可以使文档搜索到。refresh 默认 1 秒执行一次，性能损耗太大。一般建议稍微延长这个 refresh 时间间隔，比如 5 s。因此，ES 其实就是准实时，达不到真正的实时。

flush 过程

每隔一段时间—例如 translog 变得越来越大—索引被刷新（flush）；一个新的 translog 被创建，并且一个全量提交被执行

上个过程中 segment 在文件系统缓存中，会有意外故障文档丢失。那么，为了保证文档不会丢失，需要将文档写入磁盘。那么文档从文件缓存写入磁盘的过程就是 flush。写入磁盘后，清空 translog。具体过程如下：

所有在内存缓冲区的文档都被写入一个新的段。
缓冲区被清空。
一个Commit Point被写入硬盘。
文件系统缓存通过 fsync 被刷新（flush）。
老的 translog 被删除。

merge 过程

由于自动刷新流程每秒会创建一个新的段，这样会导致短时间内的段数量暴增。而段数目太多会带来较大的麻烦。每一个段都会消耗文件句柄、内存和cpu运行周期。更重要的是，每个搜索请求都必须轮流检查每个段；所以段越多，搜索也就越慢。

Elasticsearch通过在后台进行Merge Segment来解决这个问题。小的段被合并到大的段，然后这些大的段再被合并到更大的段。

当索引的时候，刷新（refresh）操作会创建新的段并将段打开以供搜索使用。合并进程选择一小部分大小相似的段，并且在后台将它们合并到更大的段中。这并不会中断索引和搜索。

一旦合并结束，老的段被删除：

新的段被刷新（flush）到了磁盘。 ** 写入一个包含新段且排除旧的和较小的段的新提交点。
新的段被打开用来搜索。
老的段被删除。

合并大的段需要消耗大量的I/O和CPU资源，如果任其发展会影响搜索性能。Elasticsearch在默认情况下会对合并流程进行资源限制，所以搜索仍然有足够的资源很好地执行。

ES遇到什么性能问题，如何优化的？

分几个方向说几个点：

硬件配置优化 包括三个因素：CPU、内存和 IO。
- CPU：大多数 Elasticsearch 部署往往对 CPU 要求不高； CPUs 和更多的核数之间选择，选择更多的核数更好。多个内核提供的额外并发远胜过稍微快一点点的时钟频率。
- 内存
  
  ：
  - 配置：由于 ES 构建基于 lucene，而 lucene 设计强大之处在于 lucene 能够很好的利用操作系统内存来缓存索引数据，以提供快速的查询性能。lucene 的索引文件 segements 是存储在单文件中的，并且不可变，对于 OS 来说，能够很友好地将索引文件保持在 cache 中，以便快速访问；因此，我们很有必要将一半的物理内存留给 lucene；另一半的物理内存留给 ES（JVM heap）。
  - 禁止 swap 禁止 swap，一旦允许内存与磁盘的交换，会引起致命的性能问题。可以通过在 elasticsearch.yml 中 bootstrap.memory_lock: true，以保持 JVM 锁定内存，保证 ES 的性能。
  - 垃圾回收器：已知JDK 8附带的HotSpot JVM的早期版本存在一些问题，当启用G1GC收集器时，这些问题可能导致索引损坏。受影响的版本早于JDK 8u40随附的HotSpot版本。如果你使用的JDK8较高版本，或者JDK9+，我推荐你使用G1 GC；因为我们目前的项目使用的就是G1 GC，运行效果良好，对Heap大对象优化尤为明显。
- 磁盘在经济压力能承受的范围下，尽量使用固态硬盘（SSD）
索引方面优化
- 批量提交 当有大量数据提交的时候，建议采用批量提交（Bulk 操作）；此外使用 bulk 请求时，每个请求不超过几十M，因为太大会导致内存使用过大。
- 增加 Refresh 时间间隔 为了提高索引性能，Elasticsearch 在写入数据的时候，采用延迟写入的策略，即数据先写到内存中，当超过默认1秒（index.refresh_interval）会进行一次写入操作，就是将内存中 segment 数据刷新到磁盘中，此时我们才能将数据搜索出来，所以这就是为什么 Elasticsearch 提供的是近实时搜索功能，而不是实时搜索功能。如果我们的系统对数据延迟要求不高的话，我们可以通过延长 refresh 时间间隔，可以有效地减少 segment 合并压力，提高索引速度。比如在做全链路跟踪的过程中，我们就将 index.refresh_interval 设置为30s，减少 refresh 次数。再如，在进行全量索引时，可以将 refresh 次数临时关闭，即 index.refresh_interval 设置为-1，数据导入成功后再打开到正常模式，比如30s。
- 索引缓冲的设置可以控制多少内存分配 indices.memory.index_buffer_size 接受一个百分比或者一个表示字节大小的值。默认是10%
- translog 相关的设置 控制数据从内存到硬盘的操作频率，以减少硬盘 IO。可将 sync_interval 的时间设置大一些。默认为5s。也可以控制 tranlog 数据块的大小，达到 threshold 大小时，才会 flush 到 lucene 索引文件。默认为512m。
- _id 字段的使用 _id 字段的使用，应尽可能避免自定义 _id，以避免针对 ID 的版本管理；建议使用 ES 的默认 ID 生成策略或使用数字类型 ID 做为主键。
- _all 字段及 _source 字段的使用 all 字段及 _source 字段的使用，应该注意场景和需要， all 字段包含了所有的索引字段，方便做全文检索，如果无此需求，可以禁用；_source 存储了原始的 document 内容，如果没有获取原始文档数据的需求，可通过设置 includes、excludes 属性来定义放入 _source 的字段。
- 合理的配置使用 index 属性 合理的配置使用 index 属性，analyzed 和 not_analyzed，根据业务需求来控制字段是否分词或不分词。只有 groupby 需求的字段，配置时就设置成 not_analyzed，以提高查询或聚类的效率。
查询方面优化
- Filter VS Query
- 深度翻页 使用 Elasticsearch scroll 和 scroll-scan 高效滚动的方式来解决这样的问题。也可以结合实际业务特点，文档 id 大小如果和文档创建时间是一致有序的，可以以文档 id 作为分页的偏移量，并将其作为分页查询的一个条件。
- 避免层级过深的聚合查询，层级过深的aggregation , 会导致内存、CPU消耗，建议在服务层通过程序来组装业务，也可以通过pipeline的方式来优化。
- 通过开启慢查询配置定位慢查询

著作权归@pdai所有原文链接：pdai.tech/md/intervie…

Java全栈知识点问题汇总(上)-(四)

8 数据库

8.1 原理和SQL

什么是事务？事务基本特性ACID？

数据库中并发一致性问题？

事务的隔离等级？

ACID靠什么保证的呢？

SQL 优化的实践经验？

Buffer Pool、Redo Log Buffer 和undo log、redo log、bin log 概念以及关系？

从准备更新一条数据到事务的提交的流程描述？

8.2 MySQL

能说下myisam 和 innodb的区别吗？

说下MySQL的索引有哪些吧？

什么是B+树？为什么B+树成为主要的SQL数据库的索引实现？

那你知道什么是覆盖索引和回表吗？

什么是MVCC？ 说说MySQL实现MVCC的原理？

MySQL 锁的类型有哪些呢？

你们数据量级多大？分库分表怎么做的？

那分表后的ID怎么保证唯一性的呢？

分表后非sharding_key的查询怎么处理呢？

MySQL主从复制？

MySQL主从的延迟怎么解决呢？

MySQL读写分离方案?

8.3 Redis

什么是Redis，为什么用Redis？

为什么Redis 是单线程的以及为什么这么快？

Redis 一般有哪些使用场景？

Redis 有哪些数据类型？

谈谈Redis 的对象机制（redisObject)？

Redis 数据类型有哪些底层数据结构？

为什么要设计sds？

Redis 一个字符串类型的值能存储最大容量是多少？

为什么会设计Stream？

Redis Stream用在什么样场景？

Redis Stream消息ID的设计是否考虑了时间回拨的问题？

Redis Stream消费者崩溃带来的会不会消息丢失问题?

Redis Steam 坏消息问题，死信问题?

Redis 的持久化机制是什么？各自的优缺点？一般怎么用？

RDB 触发方式?

在进行RDB快照操作的这段时间，如果发生服务崩溃怎么办？

可以每秒做一次RDB快照吗？

AOF是写前日志还是写后日志？

如何实现AOF的？

什么是AOF重写？

AOF重写会阻塞吗？

AOF日志何时会重写？

AOF重写日志时，有新数据写入咋整？

主线程fork出子进程的是如何复制内存数据的？

在重写日志整个过程时，主线程有哪些地方会被阻塞？

为什么AOF重写不复用原AOF日志？

Redis 过期键的删除策略有哪些?

Redis 内存淘汰算法有哪些?

Redis的内存用完了会发生什么？

Redis如何做内存优化？

Redis key 的过期时间和永久有效分别怎么设置？

Redis 中的管道有什么用？

什么是redis事务？

Redis事务相关命令？

Redis事务的三个阶段？

Redis事务其它实现？

Redis事务中出现错误的处理？

Redis事务中watch是如何监视实现的呢？

为什么 Redis 不支持回滚？

Redis 对 ACID的支持性理解？

Redis事务其他实现？

Redis集群的主从复制模型是怎样的？

Redis 全量复制的三个阶段？

Redis 为什么会设计增量复制？

Redis 增量复制的流程？

增量复制如果在网络断开期间，repl_backlog_size环形缓冲区写满之后，从库是会丢失掉那部分被覆盖掉的数据，还是直接进行全量复制呢？

Redis 为什么不持久化的主服务器自动重启非常危险呢?

Redis 为什么主从全量复制使用RDB而不使用AOF？

Redis 为什么还有无磁盘复制模式？

Redis 为什么还会有从库的从库的设计？

Redis哨兵机制？哨兵实现了什么功能呢?

Redis 哨兵集群是通过什么方式组建的？

Redis 哨兵是如何监控Redis集群的？

Redis 哨兵如何判断主库已经下线了呢？

Redis 哨兵的选举机制是什么样的？

Redis 1主4从，5个哨兵，哨兵配置quorum为2，如果3个哨兵故障，当主库宕机时，哨兵能否判断主库“客观下线”？能否自动切换？

什么是MVCC？说说MySQL实现MVCC的原理？

Redis单线程模型？在6.0之前如何提高多核CPU的利用率？