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Redis

2022-03-11 00:30:39   3  举报

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AI智能生成

redis知识体系架构图

redis原理

redis架构图

nosql

作者其他创作

大纲/内容

基础概念

redis是基于C语言编写的、基于内存的高性能非关系键值对数据库，键支持字符串类型，值支持字符串、列表、集合、散列表、有序集合五种类型。另外，redis也可作为分布式锁、支持事务、持久化、LUA脚本、集群等方案

优缺点

优点：读写高性能、支持数据持久化、支持事务、数据结构丰富、支持集群处理方案

缺点：基于内存容量限制，只可作为较小数据量的高性能操作和运算；不具备自动容错和恢复功能；较难支持在线扩容

为什么用redis做缓存

1、传统的hashMap、Guava缓存实现的是本地缓存，不支持分布式，生命周期随着JVM销毁而结束，多实例情况下容易出现缓存不一致等问题

2、高性能：直接操作内存，速度快

3、高并发：减少了大部分直接的数据库操作，基于内存的数据使得支持的请求数量更加多

redis快的原因

1、基于内存操作，存储的数据结构也是键值对，查找的时间复杂度是O(1)

2、单线程，避免了上下文切换和竞争条件，不需要考虑加锁是否锁等同步操作

3、使用IO多路复用，非阻塞IO，内核IO操作不需要彻底完成才返回用户空间，支持同一个线程内同时处理多个IO请求。（扩展：将用户Socket对应的fd注册进epoll，epoll负责监听有哪些消息到达，这样，整个过程就只有select、poll、epoll这些调用的时候才会阻塞，收发客户消息不会阻塞，这就是事件驱动(reactor模式)）

4、数据结构简单，对数据的操作也简单

数据类型与应用

数据类型

String

可存储字符串、整数、浮点数；数值型支持自增，常见场景有计数器、验证码等简单的K-V存储

set

无序集合，添加、获取、移除元素，检查元素是否在集合中、求两个集合的交集、并集、差集，随机取元素

zset

有序集合，范围取值，去重排序，通过增加scope参数，适用于根据一定的条件进行排序的数据

list

列表，可从两端压入或弹出元素，可用于消息队列、插入有序的集合

hash

无序散列表，一般用于结构化数据存储

应用

分布式锁

setnx命令，或官方提供的RedLock分布式锁实现

内存管理策略

持久化

持久化就是将内存数据写入磁盘，防止服务器宕机丢失数据

RDB：Redis DataBase，默认的持久化方式，按照一定的时间将内存的数据以快照的形式存储到硬盘，产生的数据文件为dump.rdb。通过配置文件中的save参数定义快照周期。优点是持久化方便、容灾性好，性能有保证，通过fork子进程的方式完成，主进程继续操作命令。缺点是数据安全性低，持久化周期内发生故障数据会丢失

AOF：Append Only File持久化，表示将Redis每次写命令的记录放入单独的日志文件中，重启redis时会从持久化的日志文件中恢复数据。RDB和AOF都开启时，会选择AOF恢复。优点是数据安全，缺点是文件较大，恢复速度慢

过期键删除策略

即时过期：对每个设置过期的key维护一个定时器，到期立即清除。此策略对内存友好，及时性高，但是会占用较大的CPU资源，影响响应时间和吞吐量

惰性过期：只有当访问一个key时才判定是否过期，过期就清除。可节省大量的CPU时间，却对内存非常不友好，甚至不会清除造成大量内存占用

定时过期：每隔一段时间定时扫描过期集合，发现过期就清除。是即时过期和定时过期的折中方案

内存淘汰策略

全局键空间选择性移除

不接受写入，写入报错

移除最近最少使用

随机选择性移除

带过期时间的键空间选择性移除

移除最近最少使用

随机移除

移除更早过期时间

事务

事务是一个单独的隔离操作，事务中所有的命令都会被序列化、顺序执行。事务是一个原子操作，要么全部被执行，要么全部不执行。redis事务的本质是通过multi、exec、watch命令的组合，一次性、顺序性、排他性的执行一个命令队列中的一系列命令

三个阶段：1、事务开始multi；2、命令入队；3、命令执行exec

redis不支持回滚，如果一个事务中出现命令错误，那所有的命令都不会执行；如果一个事务中出现运行错误，那正确的命令会被执行。所以redis内部可保持简单高效

watch命令是一个乐观锁，可提供CAS行为，可以监控一个或多个键，一旦某个键被修改或删除，之后的事务就不会执行，可一直持续到exec命令

discard可清空事务队列，并放弃执行事务；unwatch命令可以取消watch对所有key的监控

redis事务只保证一致性和隔离性

集群方案

哨兵模式

分支主题

哨兵至少需要3个实例保证自己的健壮性，本身也是分布式的，故障转移需要大部分哨兵同意，本身也是涉及到分布式选举的问题。哨兵+redis主从架构，不报账数据0丢失，只能保证redis集群的高可用性

功能

集群监控：负责监控redis主从机器进程是否正常工作

消息通知：报告redis实例故障

故障转移：master节点挂了，自动选举转移到slave节点

配置中心：发生实例故障时，通知客户端新的master地址

官方redis-cluster方案

分支主题

服务端路由查询技术，官方集群方案并没有采用一致性hash方案，而是采用slot（槽）的概念，一共分为16384（16K）个槽，并采用CRC16算法计算散列值，对槽位进行取余，定位到指定的节点。因此，可将请求发送到任意一个节点，redis会转向指令，找到正确的节点

方案过程：通过hash方式进行数据分片，每个节点存储一定的哈希槽区间的数据；2、每个数据分片会存储在多个互为主从的节点上；3、先写主节点，再写从节点；4、读取数据时通过转向指令查找正确节点；5、扩容的时候需要迁移旧数据到新节点

内部通信机制：开放至少两个端口号，读写数据时6379，16379端口就是进行节点间通信的，就是cluster bus。可进行故障检测、故障转移、消息通知、配置中心等授权。cluster采用了gossip二进制协议进行高效数据交换，占用更少的网络带宽额处理时间

优缺点：有点：无中心架构，支持动态扩容，业务员透明，具备自动监控和故障转移能力，客户端只需链接集群中任意一个节点即可，高性能；缺点：只能使用0号数据库，不支持管道命令，运维较为复杂

客户端分配

分支主题

是一种基于哈市算法将redis的key进行散列的方式，通过哈市函数，特点的key会映射到特定的节点，java-redis客户端驱动jedis，支持散列功能。优点是简单，彼此独立，灵活性强；缺点是不支持动态扩展，节点结构发生变化时，每个客户端都需要进行调整

基于代理服务器

分支主题

核心是多了一层代理组件，代理解析客户端数据，并进行正确的节点转发。特点是透明，业务解耦，存在一定的性能损耗。常见的业界开源方案有：twtter的twemproxy、豌豆荚的codis

redis主从架构原理

单机的redis能够承载的业务量都是有限的。为了支撑高并发高可用，需设计主从架构

核心机制：1、主节点写数据，从节点读数据，实现读写分离；2、主节点异步方式复制数据到从节点，或从节点周期性的确认自身复制数据；3、从节点可以链接其它的从节点；4、从节点进行复制的时候，不会阻塞主节点的工作；5、从节点进行数据复制时，不会阻塞数据读取操作，采用原有数据提供服务，复制完成重新加载会阻塞；6、从节点一般用作横向扩容，做读写分离，提升吞吐量

注意点：主节点必须开启持久化机制，防止数据清空；单个redis主从实例不宜过大，建议不超过10G，否则会导致性能下降、恢复慢等问题

主从复制原理

原理描述：1、启动一个从节点时，发送一个PSYNC命令给主节点，初次链接会触发全量复制，主节点fork后台线程，生成RDB文件；2、从节点会先写入本地磁盘，再从本地磁盘加载到内存；3、这个过程中主节点发生的写命令也会发送到从节点；4、若从节点故障断开，只会进行增量复制

redis之lua脚本原理

1、希望用户可以自定义扩展若干指令来完成一些特定领域的问题。2、用户可以向redis服务器发送lua脚本来执行自定义动作，获取脚本响应数据。3、redis服务器会以单线程原子性的形式执行lua脚本，保证lua脚本在执行过程中不会其它请求打断

使用 eval 指令执行lua脚本，return结果会返回客户端。如果脚本内容很长且执行频繁，每次都要传递冗长的脚本势必浪费网络流量。redis提供了 script load 和 evalsha 指令解决这个问题

script load 指令用于将客户端提供的lua脚本传递到服务器而不执行但得到唯一ID，这个ID是redis使用sha1算法得到的字符串，后序客户端可使用这个ID反复执行执行evalsha函数代码

如果脚本异常或参数错误，redis会保护主线程不会因为错误的脚本而奔溃，但脚本可能会发生部分执行的情况且无法撤销，所以要注意脚本的正确性

主线程不会奔溃的原因：lua脚本内置了pcall(f)函数（protect call），类似于try catch。它会让f函数运行在保护模式下，这个是redis的原码实现的

如果执行了一段死循环lua脚本，需要使用redis提供的script kill 指令来动态的杀死一个执行时间超时的lua脚本。默认这个时间是5秒。script-kill的重要前提是不允许杀死对内部数据进行修改的lua脚本，否则只能使用 shutdown nosave 的方式通过停止整个redis进程来停止脚本运行

script-kill原理：基于钩子函数。redis允许在内部虚拟机执行指令时运行钩子代码。

分区与分布式

分区

为什么需要分区：拓展利用多台计算机的内存，构建更大的内存数据库；利用多核和多台计算机，扩展计算能力，扩展网络带宽。将key分发到不同的分区，有利于减少单个节点过大的问题

分区方式

客户端分区：写入数据之前在客户端就决定存储或读取节点

代理分区：通过代理层，对请求进行路由

查询路由：redis-cluster官方实现方式，通过接力模式定位正确节点

分区的缺点

两个或两个以上的key操作通常不会被支持，比如说对集合求交集、并集，因为它们可能存储在不同的redis实例

不支持事务

运维成本增高，数据处理复杂，主要体现在备份文件的管理上

动态扩容和缩容复杂

分布式

分布式锁：基于redis单线程、队列串行访问模式，且多客户端对redis的链接不存在竞争关系，可以使用redis的setnx轻松实现分布式锁

redLock：redis官方提出的基于redis实现锁的方式，可保证安全、避免死锁、容错性高等特性

常见问题

如何实现扩容（分布式寻址算法）

hash算法（大量缓存重建）

一致性hash算法（自动缓存迁移）+虚拟节点（自动负载均衡）

CRC16算法（基于redis-cluster的hash槽算法）

缓存异常

缓存雪崩：大面积的缓存同一时间大量失效，导致数据库接收到大量请求而奔溃。解决方式：缓存过期时间随机、并发量不高时请求加锁排队、给缓存加上过期标识

缓存击穿：指缓存中没有但数据库中有的数据，由于并发高都往数据库中请求数据，造成数据库压力过大。与缓存雪崩不同的是，缓存击穿是指查的同一条数据。解决方式：互斥锁、热点数据不过期

缓存穿透：缓存和数据库中都没有数据，导致所有请求都落在数据库上，造成数据库短时间内承受大量的请求而奔溃。解决方案：数据正确性校验，如id<0的请求拦截、缓存和数据都取不到的数据值可以设置为null，过期时间10s、采用布隆过滤器方案（扩展：布隆过滤器：采用多个hash算法，计算元素是否存在集合中，如果其中一个hash函数得出的不再集合中，那么肯定不在集合中；所有hash函数都得出在集合中时，认定元素就在集合中。存储结构为固定大小的二进制向量或位图，hash算法得出的结果将位图指定位置置为1，即可判定重复性。https://www.zhihu.com/question/389604738）

缓存数据库双写一致性

通用规则：先删除缓存，再更新数据库（并发情况下还是会存在不一致问题）

升级规则：先删除缓存，再更新数据库，异步等待一段时间再删除缓存

大数据插入方案

管道技术

key查找方案

一般用命令keys，但会导致阻塞，可使用scan命令查找再去重