【后端面经-数据库】Redis详解——Redis基本概念和特点

声明：Redis的相关知识是面试的一大热门知识点，同时也是一个庞大的体系，所涉及的知识点非常多，如果用一篇文章罗列，往往会陷入知识海洋中无法感知其全貌，因此，这段时间我会试着拆分Redis的相关章节，辅以思维导图的形式介绍Redis的相关知识点，知识点范围包括如下几部分

• Redis基本概念和特点
• Redis数据结构和底层数据类型
• Redis持久化（AOF和RDB）
• Redis集群和高可用性
• Redis缓存
• Redis分布式锁
• Redis实现异步队列
• Redis运维问题

今天主要介绍的是Redis基本概念和特点。

1. Redis基本概念

最本质的，Redis是一个数据库，作为一个数据库，它和其他数据库自然不会完全相同，如下是它的一些本质特性：

• C语言开发：这也是它高性能的一个重要原因；
• 基于key-value键值对存储：键、值都有丰富的数据类型支持
• 数据存于内存中：这是访问速度快的一个原因；
• 非关系型数据库：NoSQL，之前所了解的MySQL是关系型数据库的代表。
• 高性能：C语言开发+数据存于内存
• 开源

2. Redis特点

2.1 优点

Redis技术之所以被广泛使用，是因为它具有很多优点，如下所示：

• 访问速度快

  • 访问速度快主要有四个原因：C语言开发+数据存于内存+单线程+非阻塞I/O多路复用；
  • 这也是它被web应用广泛使用、在大厂技术中作为基础的原因之一。

• 支持丰富的数据类型
  Redis基于键值对完成数据存储，那么对于键key、值value都有相对应的数据类型支持，如下所示：

  • 键key：只能是字符串类型
  • 值value：可支持丰富的数据类型，如下所示：
    • 五大基础数据类型
      • 字符串（String）：最基础的数据类型，可以是字符串、整数、浮点数、二进制数据。
        • 很常用的数据结构，存储一般数据都会使用。
      • 列表（List）：存储有序元素
        • 可在实现消息队列中可使用。
      • 哈希表（Hash）：存储键值对集合，也就是整体Redis存储可实现键值对嵌套，从而提高数据存储的灵活性。
        • 可存储用户信息等。
      • 集合（Set）：无序、不可重复的元素。
        • 例如标签tag、共同关注等数据信息，就可以使用集合来存储。
      • 有序集合（Sorted Set）：可给每个元素设置权重，作为排序依据，同样不可出现重复元素，但是可以有顺序。
        • 在实现排行榜功能中可使用。
    • 高级数据类型（了解即可）
      • 位图（Bitmap）
      • HyperLogLog
      • 布隆过滤器
      • GeoHash
      • Pub/Sub
      • Stream

• 单线程

  • Redis是单线程的，这是它访问速度快的一个重要原因，因为单线程不需要考虑线程安全问题，也不需要考虑上下文切换的问题，因此，它的访问速度自然会快很多。
  • Redis单线程的一个重要原因：Redis的瓶颈不在于CPU，而是内存和网络带宽，因此，单线程的Redis可以充分利用CPU的性能，从而提高访问速度。
  • Redis4.0的时候，尝试在主线程外开辟后台线程，处理一些较为耗时的操作，如清理脏数据、断开无用链接、删除过期key等，但是这些操作都是在后台线程中完成，不会影响主线程的访问速度。
  • Redis6.0在某种程度上实现了多线程，使用多线程并行处理读写操作和协议分析，对于命令执行部分依然使用单线程保证访问速度。
    • 这种多线程的方式提高了IO效率，解决了Redis性能限制的瓶颈之一。

• 非阻塞I/O多路复用

  • I/O多路复用指的是：在一个线程中，可以同时监听多个文件描述符，一旦某个文件描述符就绪（可读或可写），就能够通知程序进行相应的读写操作。这样就不会出现“为了等待任意文件的I/O响应而阻塞主线程”。
  • 也许这时候你会问“不对啊，Redis不是单线程的吗？”，是啊，这里所说的多路复用，指的正是上文中Redis6.0使用多线程处理读写操作的技术部分。
  • I/O多路复用的实现方式主要有：select、poll、epoll.具体可参考此篇博客：【后端面经-Java】I/O多路复用 简录

• 支持持久化、分布式系统、事务、主从复制（集群）

  • 这些在后续的学习中都会具体详细解释

2.2 缺点

任何一个技术都不会是完美的，有优点就必然也存在缺点。——鲁迅（：“我没说过”）
Redis的缺点如下所示

• 瓶颈问题：内存和网络带宽
  • 在分析Redis单线程原因的时候，我们已经提到过Redis的瓶颈问题，主要就是物理内存的容量大小和IO操作的带宽限制。
  • 举个例子：一个数据库就像一个自由职业者，它的赚钱速度（效率）取决于接单速度和完工速度，而Redis就像一个完工速度非常快的自由职业者（访问速度快），且面对着海量的请求，因此，它的技术瓶颈就在于接单速度（IO操作带宽）。不仅如此，它完工速度快是因为把所有东西都堆在房间（内存）里面，因此，它也同样受限于物理房间的大小（物理内存容量）。
• 不具备自动容错/恢复的能力
  • 主机从机的宕机都会导致前端部分读写请求失败，需要等待机器重启或者手动切换前端的IP才能恢复。
• 在线扩容难度高
  • 集群容量在后续维护中很难扩容，因此一开始就需要根据使用规模预备合适的容量空间。

3. Redis的应用场景

Redis是Web应用的常用中间件，它的应用场景非常广泛，如下所示：

• 缓存
  • Redis作为客户端和服务器数据库之间的缓存数据，可以有效减少数据库的访问压力，提高访问速度。
  • 结构图如下所示：
    
• 分布式锁
  • Redis可实现分布式锁，解决分布式系统中的并发问题。
• 简单消息队列
  • Redis提供发布订阅功能和阻塞队列功能，可以满足一般消息队列功能。
• 网络流量管理
  • 计数器
    • 天然支持，可记录浏览量、点赞了
  • 排行榜
    • Redis中的列表、有序集合可以用于构建排行榜
  • 社交网络
    • 各类数据之间的关联，赞踩比例、共同好友、共同爱好等等可以使用Redis实现。

面试模拟

Q：Redis、内存、磁盘的区别，为什么快为什么慢？
A：Redis是内存数据库，内存是计算机中最快的存储介质，磁盘是最慢的存储介质。Redis快速是因为它将数据存于内存之后，而内存访问可以直接传输到CPU中，磁盘访问则需要通过IO操作先将数据写入内存空间之后然后再传入CPU中。

Q：Redis的数据库类型、存储结构如何？如何实现排行榜功能
A：Redis属于NoSQL数据库，它的存储结构是键值对，其中键的数据类型只支持字符串，而值可以支持丰富的数据类型，包括列表、有序集合、集合、哈希表、字符串等等，通过列表、有序集合等数据结构实现排行榜功能。

Q：Redis是单线程还是单进程？哪些模块是单线程？
A：Redis执行指令的相关模块是单线程，6.0之后，关于网络IO的处理则转为多线程，使用非阻塞IO多路复用提高IO效率

参考资料

1. Redis教程 - Redis知识体系详解
2. 三万字+八十图，详解Redis五十二问！太全面了!
3. 妈妈再也不担心我面试被Redis问得脸都绿了