摘要：豐富的特性具有豐富的特性，比如可以用作分布式鎖可以持久化數據可以用作消息隊列排行榜計數器還支持通知過期等等。比如利用布隆過濾器，內部維護一系列合法有效的，迅速判斷出請求所攜帶的是否合法有效。

（圖片來源于網絡）

面試官： 我看到你的簡歷上說你熟練使用Redis，那么你講一下Redis是干嘛用的？
小明： （心中竊喜，Redis不就是緩存嗎？）Redis主要用作緩存，通過內存高效地存儲非持久化數據。
面試官： Redis可以用作持久化的存儲嗎？
小明 ：嗯...應該可以吧...
面試官： 那Redis怎么進行持久化操作呢？
小明：嗯...不是太清楚。
面試官： Redis的內存淘汰機制有哪些？
小明：嗯...沒了解過
面試官：我們還可以用Redis做哪些事情？分別利用了Redis的哪個指令？
小明：我只知道Redis還可以做分布式鎖、消息隊列...
面試官：好了，我們進入下一個話題...

思考：很明顯，小明同學在面試過程中關于Redis的表現和回答肯定是比較失敗的。Redis是我們工作中每天都會使用到的東西，為什么一到面試卻變成了丟分項呢？

作為開發者，我們習慣了使用大神們已經封裝好的東西，以此保障我們能夠更專注于業務開發，卻不知道這些常用工具的底層實現是什么，因此盡管平時應用起來得心應手，但一到面試還是無法讓面試官眼前一亮。

本文總結了一些Redis的知識點，有原理有應用，希望可以幫助到大家。

REmote DIctionary Server(Redis) 是一個由Salvatore Sanfilippo寫的key-value存儲系統。
Redis是一個開源的使用ANSI 、C語言編寫、遵守BSD協議、支持網絡、可基于內存亦可持久化的日志型、Key-Value數據庫，并提供多種語言的API。

這里我引用了Redis教程里對Redis的描述，很官方，但是很標準。

**可基于內存亦可持久化的日志型、Key-Value數據庫。**

我認為這個描述很貼切很全面。

Redis是互聯網技術領域使用最為廣泛的存儲中間件，因超高的性能、完美的文檔、多方面的應用能力以及豐富完善的客戶端支持在存儲方面獨當一面，廣受好評，尤其以其性能和讀取速度而成為了領域中最受青睞的中間件。基本上每一個軟件公司都會使用Redis，其中包括很多大型互聯網公司，比如京東、阿里、騰訊、github等。因此，Redis也成為了后端開發人員必不可少的技能。

在我看來，學習每一項技術，都需要有一個清晰的脈絡和結構，不然你也不知道自己會了哪些、還有多少沒學會。就像一本書，如果沒有目錄章節，也就失去了靈魂。

因此我試圖總結出Redis的知識圖譜，也稱為腦圖，如下圖所示，可能知識點不是很全，后續會不斷更新補充。

本系列文章的知識點也會和這個腦圖基本一致，本文先介紹Redis的基本知識，后續文章會詳細介紹Redis的數據結構、應用、持久化等多個方面。

作為緩存工具，Redis最廣為人知的特點就是快，到底有多快呢？Redis單機qps（每秒的并發）可以達到110000次/s，寫的速度是81000次/s。
那么，Redis為什么這么快呢？

絕大部分請求是純粹的內存操作，非常快速；

使用了很多查找操作都特別快的數據結構進行數據存儲，Redis中的數據結構是專門設計的。如HashMap，查找、插入的時間復雜度都是O(1)；

采用單線程，避免了不必要的上下文切換和競爭條件，也不存在多進程或者多線程導致的切換而消耗CPU，不用去考慮各種鎖的問題，不存在加鎖、釋放鎖操作，沒有因為可能出現死鎖而導致的性能消耗；

用到了非阻塞I/O多路復用機制。

Redis有5種常用的數據類型：String、List、Hash、set、zset，每種數據類型都有自己的用處。

Redis支持事務，并且它的所有操作都是原子性的，同時Redis還支持對幾個操作合并后的原子性執行。

Redis具有豐富的特性，比如可以用作分布式鎖；可以持久化數據；可以用作消息隊列、排行榜、計數器；還支持publish/subscribe、通知、key過期等等。當我們要用中間件來解決實際問題的時候，Redis總能發揮出自己的用處。

Memcache和Redis都是優秀的、高性能的內存數據庫，一般我們說到Redis的時候，都會拿Memcache來和Redis做對比。（為什么要做對比呢？當然是要襯托出Redis有多好，沒有對比，就沒有傷害~）對比的方面包括：

Memcache把數據全部存在內存之中，斷電后會掛掉，無法做到數據的持久化，且數據不能超過內存大小。

Redis有一部分數據存在硬盤上，可以做到數據的持久性。

Memcache對數據類型支持相對簡單，只支持String類型的數據結構。

Redis有豐富的數據類型，包括：String、List、Hash、Set、Zset。

它們之間底層實現方式以及與客戶端之間通信的應用協議不一樣。

Redis直接自己構建了VM機制 ，因為一般的系統調用系統函數，會浪費一定的時間去移動和請求。

Redis最大可以存儲1GB，而memcache只有1MB。

看到這里，會不會覺得Redis特別好，全是優點，完美無缺？其實Redis還是有很多缺點的，這些缺點平常我們該如何克服呢？

問題：一致性的問題是分布式系統中很常見的問題。一致性一般分為兩種：強一致性和最終一致性，當我們要滿足強一致性的時候，Redis也無法做到完美無瑕，因為數據庫和緩存雙寫，肯定會出現不一致的情況，Redis只能保證最終一致性。

解決：我們如何保證最終一致性呢？

第一種方式是給緩存設置一定的過期時間，在緩存過期之后會自動查詢數據庫，保證數據庫和緩存的一致性。

如果不設置過期時間的話，我們首先要選取正確的更新策略：先更新數據庫再刪除緩存。但我們刪除緩存的時候也可能出現某些問題，所以需要將要刪除的緩存的key放到消息隊列中去，不斷重試，直到刪除成功為止。

問題： 我們應該都在電影里看到過雪崩，開始很平靜，然后一瞬間就開始崩塌，具有很強的毀滅性。這里也是一樣的，我們執行代碼的時候將很多緩存的實效時間設定成一樣，接著這些緩存在同一時間都會實效，然后都會重新訪問數據庫更新數據，這樣會導致數據庫連接數過多、壓力過大而崩潰。

解決：

設置緩存過期時間的時候加一個隨機值。

設置雙緩存，緩存1設置緩存時間，緩存2不設置，1過期后直接返回緩存2，并且啟動一個進程去更新緩存1和2。

問題： 緩存穿透是指一些非正常用戶(黑客)故意去請求緩存中不存在的數據，導致所有的請求都集中到到數據庫上，從而導致數據庫連接異常。

解決:

利用互斥鎖。緩存失效的時候，不能直接訪問數據庫，而是要先獲取到鎖，才能去請求數據庫。沒得到鎖，則休眠一段時間后重試。

采用異步更新策略。無論key是否取到值，都直接返回。value值中維護一個緩存失效時間，緩存如果過期，異步起一個線程去讀數據庫，更新緩存。需要做緩存預熱(項目啟動前，先加載緩存)操作。

提供一個能迅速判斷請求是否有效的攔截機制。比如利用布隆過濾器，內部維護一系列合法有效的key，迅速判斷出請求所攜帶的Key是否合法有效。如果不合法，則直接返回。

問題：

緩存并發競爭的問題，主要發生在多線程對某個key進行set的時候，這時會出現數據不一致的情況。

比如Redis中我們存著一個key為amount的值，它的value是100，兩個線程同時都對value加100然后更新，正確的結果應該是變為300。但是兩個線程拿到這個值的時候都是100，最后結果也就是200，這就導致了緩存的并發競爭問題。

解決

如果多線程操作沒有順序要求的話，我們可以設置一個分布式鎖，然后多個線程去爭奪鎖，誰先搶到鎖誰就可以先執行。這個分布式鎖可以用zookeeper或者Redis本身去實現。

可以利用Redis的incr命令。

當我們的多線程操作需要順序的時候，我們可以設置一個消息隊列，把需要的操作加到消息隊列中去，嚴格按照隊列的先后執行命令。

Redis隨著數據的增多，內存占用率會持續變高，我們以為一些鍵到達設置的刪除時間就會被刪除，但是時間到了，內存的占用率還是很高，這是為什么呢？

Redis采用的是定期刪除和惰性刪除的內存淘汰機制。

定期刪除和定時刪除是有區別的：

定時刪除是必須嚴格按照設定的時間去刪除緩存，這就需要我們設置一個定時器去不斷地輪詢所有的key，判斷是否需要進行刪除。但是這樣的話cpu的資源會被大幅度地占據，資源的利用率變低。所以我們選擇采用定期刪除，。

定期刪除是時間由我們定，我們可以每隔100ms進行檢查，但還是不能檢查所有的緩存，Redis還是會卡死，只能隨機地去檢查一部分緩存，但是這樣會有一些緩存無法在規定時間內刪除。這時惰性刪除就派上用場了。

舉個簡單的例子：中學的時候，平時作業太多，根本做不完，老師說下節課要講這個卷子，你們都做完了吧？其實有很多人沒做完，所以需要在下節課之前趕緊補上。

惰性刪除也是這個道理，我們的這個值按理說應該沒了，但是它還在，當你要獲取這個key的時候，發現這個key應該過期了，趕緊刪了，然后返回一個"沒有這個值，已經過期了!"。

現在我們有了定期刪除 + 惰性刪除的過期策略，就可以高枕無憂了嗎？并不是這樣的，如果這個key一直不訪問，那么它會一直滯留，也是不合理的，這就需要我們的內存淘汰機制了。

Redis的內存淘汰機制一般有6種，如下圖所示：

那么我們如何去配置Redis的內存淘汰機制呢？

在Redis.conf中我們可以進行配置

# maxmemory-policy allkeys-lru

本文初探Redis，大概整理出了Redis的知識圖譜，對照之下可以發現Redis居然有這么多的知識點需要學習；接著我們分析了Redis的優缺點，知道了其基于內存的高效的讀寫速度和豐富的數據類型，也分析了Redis面對數據一致性、緩存穿透、緩存雪崩等問題時該如何處理；最后我們了解了Redis的過期策略和緩存淘汰機制。

相信大家已經對Redis有了一些了解，下篇文章我們將分析Redis的數據結構、每一種數據類型是如何實現的、對應的命令有哪些。

作者：楊亨
來源：宜信技術學院