面试八股文——Redis篇

原创

程序员大彬

修改于 2021-10-09 09:47:01

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修改于 2021-10-09 09:47:01

文章被收录于专栏：Java note

大家好，我是大彬~

今天给大家分享一下 Redis 面试常考的题目，答案也整理好了，非常贴心有木有，快来看看你能答对几个。

本文目录：

Redis是什么？
Redis的优点？
Redis为什么这么快？
Redis为何选择单线程？
Redis应用场景有哪些？
Memcached和Redis的区别？
Redis 数据类型有哪些？
Redis事务
持久化机制
- RDB方式
- AOF方式
主从复制
哨兵Sentinel
Redis cluster
过期键的删除策略？
内存淘汰策略有哪些？
如何保证缓存与数据库双写时的数据一致性？
缓存穿透
缓存雪崩
缓存击穿
pipeline的作用？
LUA脚本

Redis是什么？

Redis（Remote Dictionary Server）是一个使用 C 语言编写的，高性能非关系型的键值对数据库。与传统数据库不同的是，Redis 的数据是存在内存中的，所以读写速度非常快，被广泛应用于缓存方向。Redis可以将数据写入磁盘中，保证了数据的安全不丢失，而且Redis的操作是原子性的。

Redis的优点？

基于内存操作，内存读写速度快。
Redis是单线程的，避免线程切换开销及多线程的竞争问题。单线程是指网络请求使用一个线程来处理，即一个线程处理所有网络请求，Redis 运行时不止有一个线程，比如数据持久化的过程会另起线程。
支持多种数据类型，包括String、Hash、List、Set、ZSet等。
支持持久化。Redis支持RDB和AOF两种持久化机制，持久化功能可以有效地避免数据丢失问题。
支持事务。Redis的所有操作都是原子性的，同时Redis还支持对几个操作合并后的原子性执行。
支持主从复制。主节点会自动将数据同步到从节点，可以进行读写分离。

Redis为什么这么快？

基于内存：Redis是使用内存存储，没有磁盘IO上的开销。数据存在内存中，读写速度快。
单线程实现（ Redis 6.0以前）：Redis使用单个线程处理请求，避免了多个线程之间线程切换和锁资源争用的开销。
IO多路复用模型：Redis 采用 IO 多路复用技术。Redis 使用单线程来轮询描述符，将数据库的操作都转换成了事件，不在网络I/O上浪费过多的时间。
高效的数据结构：Redis 每种数据类型底层都做了优化，目的就是为了追求更快的速度。

Redis为何选择单线程？

避免过多的上下文切换开销。程序始终运行在进程中单个线程内，没有多线程切换的场景。
避免同步机制的开销：如果 Redis选择多线程模型，需要考虑数据同步的问题，则必然会引入某些同步机制，会导致在操作数据过程中带来更多的开销，增加程序复杂度的同时还会降低性能。
实现简单，方便维护：如果 Redis使用多线程模式，那么所有的底层数据结构的设计都必须考虑线程安全问题，那么 Redis 的实现将会变得更加复杂。

Redis应用场景有哪些？

缓存热点数据，缓解数据库的压力。
利用 Redis 原子性的自增操作，可以实现计数器的功能，比如统计用户点赞数、用户访问数等。
简单的消息队列，可以使用Redis自身的发布/订阅模式或者List来实现简单的消息队列，实现异步操作。
限速器，可用于限制某个用户访问某个接口的频率，比如秒杀场景用于防止用户快速点击带来不必要的压力。
好友关系，利用集合的一些命令，比如交集、并集、差集等，实现共同好友、共同爱好之类的功能。

Memcached和Redis的区别？

Redis 只使用单核，而 Memcached 可以使用多核。
MemCached 数据结构单一，仅用来缓存数据，而 Redis 支持多种数据类型。
MemCached 不支持数据持久化，重启后数据会消失。Redis 支持数据持久化。
Redis 提供主从同步机制和 cluster 集群部署能力，能够提供高可用服务。Memcached 没有提供原生的集群模式，需要依靠客户端实现往集群中分片写入数据。
Redis 的速度比 Memcached 快很多。
Redis 使用单线程的多路 IO 复用模型，Memcached使用多线程的非阻塞 IO 模型。

Redis 数据类型有哪些？

基本数据类型：

1、String：最常用的一种数据类型，String类型的值可以是字符串、数字或者二进制，但值最大不能超过512MB。

2、Hash：Hash 是一个键值对集合。

3、Set：无序去重的集合。Set 提供了交集、并集等方法，对于实现共同好友、共同关注等功能特别方便。

4、List：有序可重复的集合，底层是依赖双向链表实现的。

5、SortedSet：有序Set。内部维护了一个score的参数来实现。适用于排行榜和带权重的消息队列等场景。

特殊的数据类型：

1、Bitmap：位图，可以认为是一个以位为单位数组，数组中的每个单元只能存0或者1，数组的下标在 Bitmap 中叫做偏移量。Bitmap的长度与集合中元素个数无关，而是与基数的上限有关。

2、Hyperloglog。HyperLogLog 是用来做基数统计的算法，其优点是，在输入元素的数量或者体积非常非常大时，计算基数所需的空间总是固定的、并且是很小的。典型的使用场景是统计独立访客。

3、Geospatial ：主要用于存储地理位置信息，并对存储的信息进行操作，适用场景如定位、附近的人等。

Redis事务

事务的原理是将一个事务范围内的若干命令发送给 Redis，然后再让 Redis 依次执行这些命令。

事务的生命周期：

使用MULTI开启一个事务；
在开启事务的时候，每次操作的命令将会被插入到一个队列中，同时这个命令并不会被真正执行；
EXEC命令进行提交事务。

一个事务范围内某个命令出错不会影响其他命令的执行，不保证原子性：

127.0.0.1:6379> multi
OK
127.0.0.1:6379> set a 1
QUEUED
127.0.0.1:6379> set b 1 2
QUEUED
127.0.0.1:6379> set c 3
QUEUED
127.0.0.1:6379> exec
1) OK
2) (error) ERR syntax error
3) OK

WATCH命令

WATCH命令可以监控一个或多个键，一旦其中有一个键被修改，之后的事务就不会执行（类似于乐观锁）。执行EXEC命令之后，就会自动取消监控。

127.0.0.1:6379> watch name
OK
127.0.0.1:6379> set name 1
OK
127.0.0.1:6379> multi
OK
127.0.0.1:6379> set name 2
QUEUED
127.0.0.1:6379> set gender 1
QUEUED
127.0.0.1:6379> exec
(nil)
127.0.0.1:6379> get gender
(nil)

比如上面的代码中：

watch name开启了对name这个key的监控
修改name的值
开启事务a
在事务a中设置了name和gender的值
使用EXEC命令进提交事务
使用命令get gender发现不存在，即事务a没有执行

使用UNWATCH可以取消WATCH命令对key的监控，所有监控锁将会被取消。

持久化机制

持久化就是把内存的数据写到磁盘中，防止服务宕机导致内存数据丢失。

Redis支持两种方式的持久化，一种是RDB的方式，一种是AOF的方式。前者会根据指定的规则定时将内存中的数据存储在硬盘上，而后者在每次执行完命令后将命令记录下来。一般将两者结合使用。

RDB方式

RDB是 Redis 默认的持久化方案。RDB持久化时会将内存中的数据写入到磁盘中，在指定目录下生成一个dump.rdb文件。Redis 重启会加载dump.rdb文件恢复数据。

bgsave是主流的触发 RDB 持久化的方式，执行过程如下：

执行BGSAVE命令
Redis 父进程判断当前是否存在正在执行的子进程，如果存在，BGSAVE命令直接返回。
父进程执行fork操作创建子进程，fork操作过程中父进程会阻塞。
父进程fork完成后，父进程继续接收并处理客户端的请求，而子进程开始将内存中的数据写进硬盘的临时文件；
当子进程写完所有数据后会用该临时文件替换旧的 RDB 文件。

Redis启动时会读取RDB快照文件，将数据从硬盘载入内存。通过 RDB 方式的持久化，一旦Redis异常退出，就会丢失最近一次持久化以后更改的数据。

触发 RDB 持久化的方式：

手动触发：用户执行SAVE或BGSAVE命令。SAVE命令执行快照的过程会阻塞所有客户端的请求，应避免在生产环境使用此命令。BGSAVE命令可以在后台异步进行快照操作，快照的同时服务器还可以继续响应客户端的请求，因此需要手动执行快照时推荐使用BGSAVE命令。
被动触发：
- 根据配置规则进行自动快照，如SAVE 100 10，100秒内至少有10个键被修改则进行快照。
- 如果从节点执行全量复制操作，主节点会自动执行BGSAVE生成 RDB 文件并发送给从节点。
- 默认情况下执行shutdown命令时，如果没有开启 AOF 持久化功能则自动执行·BGSAVE·。

优点：

Redis 加载 RDB 恢复数据远远快于 AOF 的方式。
使用单独子进程来进行持久化，主进程不会进行任何 IO 操作，保证了 Redis 的高性能。

缺点：

RDB方式数据无法做到实时持久化。因为BGSAVE每次运行都要执行fork操作创建子进程，属于重量级操作，频繁执行成本比较高。
RDB 文件使用特定二进制格式保存，Redis 版本升级过程中有多个格式的 RDB 版本，存在老版本 Redis 无法兼容新版 RDB 格式的问题。

AOF方式

AOF（append only file）持久化：以独立日志的方式记录每次写命令，Redis重启时会重新执行AOF文件中的命令达到恢复数据的目的。AOF的主要作用是解决了数据持久化的实时性，AOF 是Redis持久化的主流方式。

默认情况下Redis没有开启AOF方式的持久化，可以通过appendonly参数启用：appendonly yes。开启AOF方式持久化后每执行一条写命令，Redis就会将该命令写进aof_buf缓冲区，AOF缓冲区根据对应的策略向硬盘做同步操作。

默认情况下系统每30秒会执行一次同步操作。为了防止缓冲区数据丢失，可以在Redis写入AOF文件后主动要求系统将缓冲区数据同步到硬盘上。可以通过appendfsync参数设置同步的时机。

appendfsync always //每次写入aof文件都会执行同步，最安全最慢，不建议配置
appendfsync everysec  //既保证性能也保证安全，建议配置
appendfsync no //由操作系统决定何时进行同步操作

接下来看一下 AOF 持久化执行流程：

所有的写入命令会追加到 AOP 缓冲区中。
AOF 缓冲区根据对应的策略向硬盘同步。
随着 AOF 文件越来越大，需要定期对 AOF 文件进行重写，达到压缩文件体积的目的。AOF文件重写是把Redis进程内的数据转化为写命令同步到新AOF文件的过程。
当 Redis 服务器重启时，可以加载 AOF 文件进行数据恢复。

优点：

AOF可以更好的保护数据不丢失，可以配置 AOF 每秒执行一次fsync操作，如果Redis进程挂掉，最多丢失1秒的数据。
AOF以append-only的模式写入，所以没有磁盘寻址的开销，写入性能非常高。

缺点：

对于同一份文件AOF文件比RDB数据快照要大。
数据恢复比较慢。

主从复制

Redis的复制功能是支持多个数据库之间的数据同步。主数据库可以进行读写操作，当主数据库的数据发生变化时会自动将数据同步到从数据库。从数据库一般是只读的，它会接收主数据库同步过来的数据。一个主数据库可以有多个从数据库，而一个从数据库只能有一个主数据库。

redis-server //启动Redis实例作为主数据库 
redis-server --port 6380 --slaveof  127.0.0.1 6379  //启动另一个实例作为从数据库 
slaveof 127.0.0.1 6379
SLAVEOF NO ONE //停止接收其他数据库的同步并转化为主数据库。

主从复制的原理？

当启动一个从节点时，它会发送一个 PSYNC 命令给主节点；
如果是从节点初次连接到主节点，那么会触发一次全量复制。此时主节点会启动一个后台线程，开始生成一份 RDB 快照文件；
同时还会将从客户端 client 新收到的所有写命令缓存在内存中。RDB 文件生成完毕后，主节点会将RDB文件发送给从节点，从节点会先将RDB文件写入本地磁盘，然后再从本地磁盘加载到内存中；
接着主节点会将内存中缓存的写命令发送到从节点，从节点同步这些数据；
如果从节点跟主节点之间网络出现故障，连接断开了，会自动重连，连接之后主节点仅会将部分缺失的数据同步给从节点。

哨兵Sentinel

主从复制存在不能自动故障转移、达不到高可用的问题。哨兵模式解决了这些问题。通过哨兵机制可以自动切换主从节点。

客户端连接Redis的时候，先连接哨兵，哨兵会告诉客户端Redis主节点的地址，然后客户端连接上Redis并进行后续的操作。当主节点宕机的时候，哨兵监测到主节点宕机，会重新推选出某个表现良好的从节点成为新的主节点，然后通过发布订阅模式通知其他的从服务器，让它们切换主机。

工作原理

每个Sentinel以每秒钟一次的频率向它所知道的Master，Slave以及其他 Sentinel实例发送一个 PING命令。
如果一个实例距离最后一次有效回复 PING 命令的时间超过指定值，则这个实例会被 Sentine 标记为主观下线。
如果一个Master被标记为主观下线，则正在监视这个Master的所有 Sentinel要以每秒一次的频率确认Master是否真正进入主观下线状态。
当有足够数量的 Sentinel（大于等于配置文件指定值）在指定的时间范围内确认Master的确进入了主观下线状态，则Master会被标记为客观下线。若没有足够数量的 Sentinel同意 Master 已经下线， Master 的客观下线状态就会被解除。若 Master重新向 Sentinel 的 PING 命令返回有效回复， Master 的主观下线状态就会被移除。
哨兵节点会选举出哨兵 leader，负责故障转移的工作。
哨兵 leader 会推选出某个表现良好的从节点成为新的主节点，然后通知其他从节点更新主节点信息。

Redis cluster

哨兵模式解决了主从复制不能自动故障转移、达不到高可用的问题，但还是存在主节点的写能力、容量受限于单机配置的问题。而cluster模式实现了Redis的分布式存储，每个节点存储不同的内容，解决主节点的写能力、容量受限于单机配置的问题。

Redis cluster集群节点最小配置6个节点以上（3主3从），其中主节点提供读写操作，从节点作为备用节点，不提供请求，只作为故障转移使用。

Redis cluster采用虚拟槽分区，所有的键根据哈希函数映射到0～16383个整数槽内，每个节点负责维护一部分槽以及槽所映射的键值数据。

哈希槽是如何映射到 Redis 实例上的？

对键值对的key使用 crc16 算法计算一个结果
将结果对 16384 取余，得到的值表示 key 对应的哈希槽
根据该槽信息定位到对应的实例

优点：

无中心架构，支持动态扩容；
数据按照slot存储分布在多个节点，节点间数据共享，可动态调整数据分布；
高可用性。部分节点不可用时，集群仍可用。集群模式能够实现自动故障转移（failover），节点之间通过gossip协议交换状态信息，用投票机制完成Slave到Master的角色转换。

缺点：

不支持批量操作（pipeline）。
数据通过异步复制，不保证数据的强一致性。
事务操作支持有限，只支持多key在同一节点上的事务操作，当多个key分布于不同的节点上时无法使用事务功能。
key作为数据分区的最小粒度，不能将一个很大的键值对象如hash、list等映射到不同的节点。
不支持多数据库空间，单机下的Redis可以支持到16个数据库，集群模式下只能使用1个数据库空间。

过期键的删除策略？

1、被动删除。在访问key时，如果发现key已经过期，那么会将key删除。

2、主动删除。定时清理key，每次清理会依次遍历所有DB，从db随机取出20个key，如果过期就删除，如果其中有5个key过期，那么就继续对这个db进行清理，否则开始清理下一个db。

3、内存不够时清理。Redis有最大内存的限制，通过maxmemory参数可以设置最大内存，当使用的内存超过了设置的最大内存，就要进行内存释放，在进行内存释放的时候，会按照配置的淘汰策略清理内存。

内存淘汰策略有哪些？

当Redis的内存超过最大允许的内存之后，Redis 会触发内存淘汰策略，删除一些不常用的数据，以保证Redis服务器正常运行。

Redisv4.0前提供 6 种数据淘汰策略：

volatile-lru：LRU（Least Recently Used），最近使用。利用LRU算法移除设置了过期时间的key
allkeys-lru：当内存不足以容纳新写入数据时，从数据集中移除最近最少使用的key
volatile-ttl：从已设置过期时间的数据集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中任意选择数据淘汰
allkeys-random：从数据集中任意选择数据淘汰
no-eviction：禁止删除数据，当内存不足以容纳新写入数据时，新写入操作会报错

Redisv4.0后增加以下两种：

volatile-lfu：LFU，Least Frequently Used，最少使用，从已设置过期时间的数据集中挑选最不经常使用的数据淘汰。
allkeys-lfu：当内存不足以容纳新写入数据时，从数据集中移除最不经常使用的key。

内存淘汰策略可以通过配置文件来修改，相应的配置项是maxmemory-policy，默认配置是noeviction。

如何保证缓存与数据库双写时的数据一致性？

1、先删除缓存再更新数据库

进行更新操作时，先删除缓存，然后更新数据库，后续的请求再次读取时，会从数据库读取后再将新数据更新到缓存。

存在的问题：删除缓存数据之后，更新数据库完成之前，这个时间段内如果有新的读请求过来，就会从数据库读取旧数据重新写到缓存中，再次造成不一致，并且后续读的都是旧数据。

2、先更新数据库再删除缓存

进行更新操作时，先更新MySQL，成功之后，删除缓存，后续读取请求时再将新数据回写缓存。

存在的问题：更新MySQL和删除缓存这段时间内，请求读取的还是缓存的旧数据，不过等数据库更新完成，就会恢复一致，影响相对比较小。

3、异步更新缓存

数据库的更新操作完成后不直接操作缓存，而是把这个操作命令封装成消息扔到消息队列中，然后由Redis自己去消费更新数据，消息队列可以保证数据操作顺序一致性，确保缓存系统的数据正常。

缓存穿透

缓存穿透是指查询一个不存在的数据，由于缓存是不命中时被动写的，如果从DB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DB去查询，失去了缓存的意义。在流量大时，可能DB就挂掉了。

缓存空值，不会查数据库。
采用布隆过滤器，将所有可能存在的数据哈希到一个足够大的bitmap中，查询不存在的数据会被这个bitmap拦截掉，从而避免了对DB的查询压力。

布隆过滤器的原理：当一个元素被加入集合时，通过K个散列函数将这个元素映射成一个位数组中的K个点，把它们置为1。查询时，将元素通过散列函数映射之后会得到k个点，如果这些点有任何一个0，则被检元素一定不在，直接返回；如果都是1，则查询元素很可能存在，就会去查询Redis和数据库。

缓存雪崩

缓存雪崩是指在我们设置缓存时采用了相同的过期时间，导致缓存在某一时刻同时失效，请求全部转发到DB，DB瞬时压力过重挂掉。

解决方法：在原有的失效时间基础上增加一个随机值，使得过期时间分散一些。

缓存击穿

缓存击穿：大量的请求同时查询一个 key 时，此时这个 key 正好失效了，就会导致大量的请求都落到数据库。缓存击穿是查询缓存中失效的 key，而缓存穿透是查询不存在的 key。

解决方法：加分布式锁，第一个请求的线程可以拿到锁，拿到锁的线程查询到了数据之后设置缓存，其他的线程获取锁失败会等待50ms然后重新到缓存取数据，这样便可以避免大量的请求落到数据库。

public String get(String key) {
    String value = redis.get(key);
    if (value == null) { //缓存值过期
        String unique_key = systemId + ":" + key;
        //设置30s的超时
        if (redis.set(unique_key, 1, 'NX', 'PX', 30000) == 1) {  //设置成功
            value = db.get(key);
            redis.set(key, value, expire_secs);
            redis.del(unique_key);
        } else {  //其他线程已经到数据库取值并回写到缓存了，可以重试获取缓存值
            sleep(50);
            get(key);  //重试
        }
    } else {
        return value;
    }
}

pipeline的作用？

redis客户端执行一条命令分4个过程：发送命令、命令排队、命令执行、返回结果。使用pipeline可以批量请求，批量返回结果，执行速度比逐条执行要快。

使用pipeline组装的命令个数不能太多，不然数据量过大，增加客户端的等待时间，还可能造成网络阻塞，可以将大量命令的拆分多个小的pipeline命令完成。

原生批命令（mset和mget）与pipeline对比：

原生批命令是原子性，pipeline是非原子性。pipeline命令中途异常退出，之前执行成功的命令不会回滚。
原生批命令只有一个命令，但pipeline支持多命令。

LUA脚本

Redis 通过 LUA 脚本创建具有原子性的命令：当lua脚本命令正在运行的时候，不会有其他脚本或 Redis 命令被执行，实现组合命令的原子操作。

在Redis中执行Lua脚本有两种方法：eval和evalsha。eval命令使用内置的 Lua 解释器，对 Lua 脚本进行求值。

//第一个参数是lua脚本，第二个参数是键名参数个数，剩下的是键名参数和附加参数
> eval "return {KEYS[1],KEYS[2],ARGV[1],ARGV[2]}" 2 key1 key2 first second
1) "key1"
2) "key2"
3) "first"
4) "second"

lua脚本作用

1、Lua脚本在Redis中是原子执行的，执行过程中间不会插入其他命令。

2、Lua脚本可以将多条命令一次性打包，有效地减少网络开销。

应用场景

举例：限制接口访问频率。

在Redis维护一个接口访问次数的键值对，key是接口名称，value是访问次数。每次访问接口时，会执行以下操作：

通过aop拦截接口的请求，对接口请求进行计数，每次进来一个请求，相应的接口访问次数count加1，存入redis。
如果是第一次请求，则会设置count=1，并设置过期时间。因为这里set()和expire()组合操作不是原子操作，所以引入lua脚本，实现原子操作，避免并发访问问题。
如果给定时间范围内超过最大访问次数，则会抛出异常。

private String buildLuaScript() {
    return "local c" +
        "\nc = redis.call('get',KEYS[1])" +
        "\nif c and tonumber(c) > tonumber(ARGV[1]) then" +
        "\nreturn c;" +
        "\nend" +
        "\nc = redis.call('incr',KEYS[1])" +
        "\nif tonumber(c) == 1 then" +
        "\nredis.call('expire',KEYS[1],ARGV[2])" +
        "\nend" +
        "\nreturn c;";
}

String luaScript = buildLuaScript();
RedisScript<Number> redisScript = new DefaultRedisScript<>(luaScript, Number.class);
Number count = redisTemplate.execute(redisScript, keys, limit.count(), limit.period());

PS：这种接口限流的方式实现比较粗糙，一般不会使用，接口限流用的比较多的是令牌桶算法和漏桶算法。

参考链接

https://segmentfault.com/a/1190000019103229

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如有侵权，请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除。

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