目录

一、Redis的理解

二、为什么Redis 是单线程的以及为什么这么快

三、Redis的使用场景

四、Redis的数据类型

五、Redis的持久化机制

1、RDB（snapshotting）：

2、AOF（append-only-file）：

六、过期Key的删除策略

七、内存淘汰策略

八、事务 

1、相关命令：

2、执行的3个阶段：

3、Redis 对 ACID的支持性理解 

九、Redis缓存的问题和解决

1、缓存穿透

2、缓存穿击

3、缓存雪崩

十、Redis的集群

1、主从复制

2、Redis哨兵机制

十一、Redis实现分布式锁

一、Redis的理解

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：读的速度是110000次/s,写的速度是81000次/s

• 数据类型丰富

Redis支持Strings, Lists, Hashes, Sets 及 Ordered Sets 数据类型操作。

• 原子性

支持事务，操作都是原子性，所谓的原子性就是对数据的更改要么全部执行，要么全部不执行

• 丰富的特性

Redis支持简易订阅通知（Pub/Sub） ，按key设置过期时间，过期后将会自动删除。

• 持久化

Redis支持RDB, AOF等持久化方式

二、为什么Redis 是单线程的以及为什么这么快

单线程的原因：

• Redis的瓶颈不是CPU，而是网络和内存。

• 多线程就会存在死锁、线程上下⽂切换等问题，甚⾄会影响性能。

• 单线程编程容易并且更容易维护。

Redis快的原因：

1、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。

2、数据结构简单：redis中的数据结构是专门进行设计的。

3、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

4、使用了多路IO复用模型：非阻塞IO

三、Redis的使用场景

• 热点数据的缓存

缓存是Redis最常见的应用场景，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 。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。

四、Redis的数据类型

expire：设置key的过期时间

persist：设置key永久有效

• 5种基础数据类型：String、List、Set、Zset、Hash。
• 三种特殊的数据类型： HyperLogLogs（基数统计）， Bitmaps (位图) ， geospatial （地理位置)

String（字符串）：

底层数据结构：SDS即动态字符串，最大容量512M，每次最多扩容1M，是二进制安全的。意思是redis的string可以包含任何数据。比如jpg图片或序列化的对象

应用场景：分布式锁、计数器(如访问次数、点赞转发数量)

常用方法：set 、get、strlen 、incr 、 decr 、setnx、setex、exists

list（双向列表）：

特点：单值多键，用来存储多个有序的字符串，一个列表最多可以存储2^32-1个元素。可以实现队列和栈

底层数据结构：快表

应用场景：消息队列 、文章列表

常用方法：lpush 、lrang 、rpush 、lpop 、rpop 、llen、lindex、rpoplpush、linsert

Hash（哈希）：

底层数据结构：压缩列表、哈希表。

特点：指v（值）本身又是一个键值对（k-v）结构

应用场景：缓存用户信息、购物车等。

常用方法：hset 、hget 、hkeys 、hvals 、hmset 、hmget 、hgetAll 、hlen 、hdel 、hsetnx 、hexists

set（集合）：

特点：用来保存多个的字符串元素，但是不允许重复元素，元素是无序的。可以实现并集、交集、差集的操作

底层数据结构：哈希表、整数集

应用场景：抽奖、共同关注、QQ内推等。

常用方法：sadd 、smembers 、sismember 、scard 、srem 、srandmember、spop、smove、sdiff、sinter、sunion

zset（有序集合）：

特点：有序不重复的集合。和 set 相⽐sorted set 增加了⼀个权重参数 score，可以根据score进行排序，但score是可以重复的，value是不可以重复的。

底层数据结构：压缩列表、跳表

应用场景：排行榜、抖音热搜

常用方法：zadd 、zrange 、zrangebyscore(按score从小到大) 、zrem 、zcard 、zcount 、zrevrange(按score从大到小）

五、Redis的持久化机制

1、RDB（snapshotting）：

是Redis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保存到硬盘中，对应产生的数据文件为dump.rdb。通过配置文件中的save参数来定义快照的周期。

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。下面是bgsave流程图：

        

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；

优点：

• 只有一个文件 dump.rdb，方便持久化。

• 容灾性好，一个文件可以保存到安全的磁盘。

• 性能最大化，fork 子进程来完成写操作，让主进程继续处理命令，所以是 IO 最大化。

• 相对于数据集大时，比 AOF 的启动效率更高。

缺点：

数据安全性低。RDB 是间隔一段时间进行持久化，如果持久化之间 redis 发生故障，会发生数据丢失。所以这种方式更适合数据要求不严谨的时候

2、AOF（append-only-file）：

将Redis执行的每次写命令记录到单独的日志文件中，当重启Redis会重新将持久化的日志中文件恢复数据。AOF日志是一种写后日志，“写后”的意思是Redis是先执行命令，把数据写入内存，然后才记录日志

为什么采用写后日志？

• 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。

AOF的实现：

AOF日志记录Redis的每个写命令，步骤分为：命令追加、文件的写入和同步。

• 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：   

AOF的重写 ：

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。

优点：

• 安全，所有写入的数据都不会丢失。
• AOF文件易读，可修改。

缺点：

• AOF 文件比 RDB 文件大。

• 恢复速度慢。

• 性能消耗高。

六、过期Key的删除策略

• 定时过期：每个设置过期时间的key都需要创建一个定时器，到过期时间就会立即清除。对内存很友好，但是会占用大量的CPU资源去处理过期的数据，从而影响缓存的响应时间和吞吐量。

• 惰性删除：当key被访问时检查该key的过期时间，若已过期则删除；已过期未被访问的数据仍保持在内存中。可以最大化地节省CPU资源，却对内存非常不友好。

• 定期删除：每隔一段时间，会扫描一定数量设置了过期的key，并删除已过期的key。是前两者的一个折中方案。通过调整定时扫描的时间间隔和每次扫描的限定耗时，可以在不同情况下使得CPU和内存资源达到最优的平衡效果。

七、内存淘汰策略

八、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。

1、相关命令：

• 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。

2、执行的3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

3、Redis 对 ACID的支持性理解 

• 原子性atomicity

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。

九、Redis缓存的问题和解决

1、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

2、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

3、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。

十、Redis的集群

1、主从复制

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。

作用：

• 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，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

• 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：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 增量复制的流程：

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 为什么还会有从库的从库的设计？

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：

2、Redis哨兵机制

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：

 哨兵的作用：

• 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。

十一、Redis实现分布式锁

方式一：可能会导致锁一直没有释放

//加锁：如果键存在则不操作，否则操作
Boolean setIfAbsent(K, V );
setnx(K,V);

//释放锁：
Boolean delete(K);
del(K);

方式二：可能出现上完锁后，服务器异常，不能设置过期时间（redis的命令不是原子操作）

//加锁：如果键存在则不操作，否则操作
Boolean setIfAbsent(K, V );
setnx(K,V);

//设置过期时间
Boolean expire(K key, final long timeout, final TimeUnit unit)
expire(K,Time);//单位：毫秒

//释放锁：
Boolean delete(K);
del(K);

方式四：上锁同时设置过期时间；可能会发生锁误删除。

//加锁并设置过期时间
Boolean setIfAbsent(K key, V value, long timeout, TimeUnit unit);
setex(K,Time,V);//单位：毫秒

//释放锁：
Boolean delete(K);
del(K);

方式五：上锁同时设置过期时间；将值设置为uuid，在进行释放锁时，先判断当前的uuid和要释放锁的uuid，若一致进行释放，否则不释放。

//1.进入方案
String requestId = IdWorker.getIdStr();
Boolean ret = redisTemplate.opsForValue().setIfAbsent( "key",requestId,5L,TimeUnit.SECONDS);
//2.判断为true 表示加锁成功,false标识锁已经存在
if(ret){
	//3.执行业务

	//4.执行结束
	Object o = redisTemplate.opsForValue().get(key);
	if(o !=null){
		if(requestId.equals((String)o)){
			redisTemplate.delete(key);
		}
	}
}else{
	//5.做异常容错处理
	Long expire = redisTemplate.opsForValue().getOperations().getExpire(key);
	if(expire !=null && expire.intValue()<0){
		redisTemplate.delete(key);
	}
	//6.日志打印该模块未执行任务！
	log.info("模块："+MODULE+",定时任务已在执行！");
}