Redis知识点总结

一、什么是Redis

Redis是一个使用C语言编写的、基于内存的且可持久化的key-value数据库。
Redis有以下特点：
1、性能高。 Redis 读数据速度能达到 110000 次/s,写数据速度是 81000 次/s ；而MySQL的读数据速度为5k/s,写数据速度为3k/s。
2、数据结构丰富。Redis支持string、 list，set，zset，hash等数据结构的存储。
3、原子性。Redis的所有操作是支持原子性的，要么成功，要么失败。
4、持久化存储。Redis支持数据的持久化，可以将内存中的数据保存在磁盘中，重启的时候再次加载进行使用。

二、Redis的五种常用数据结构

1、string

Redis使用C语言开发，但C没有提供字符串类型，只能使用指针或数组的形式表示，所以redis设计了一个简单的动态字符串SDS（Simple Dynamic String）作为底层实现。

定义一个SDS结构体，如下：
struct sdshdr{
int len; //buf中已经占有字符串的长度（表示字符串的实际长度）。
int free; //buf中未使用的字符串的长度。
char buf[]; //buf缓冲区。
};

Redis的SDS与C语言字符串的区别：
1、字符串长度计数方式不同。C语言对字符串长度的统计，采用从头遍历到末尾的方式，直到发现空字符，时间复杂度为O（n）。而SDS本身就保存字符串长度的信息，获取长度的时间复杂度是O（1）。
2、缓冲区溢出。C语言不记录字符串长度，在字符串拼接时，如果没有提前计算好内存，会造成内存溢出。而SDS存有free，在字符串拼接时，若长度够就直接执行，若不够就进行扩容，不会出现内存泄露。
3、修改字符串时内存重分配次数不同。C语言每次对字符串拼接都会重新分配内存，开销大；而SDS会分配多余的free空间，避免连续添加字符串带来的内存分配开销。
4、二进制安全性。C语言通过字符串结尾的空字符’\0’来判断字符串的长度，但图片、压缩文件等二进制数据，经常会穿插’\0’在字符串中间，就会长度识别错误。SDS保存了字符串的长度，不会出现这个问题。

应用场景：redis对于key-value的操作效率很高，可以直接用作计数器。

参考链接：Redis为什么快？。

2、list（列表）

字符串列表，按照插入顺序排序，可以在列表的头部和尾部添加元素。底层实现是一个双向链表，支持反向查找和遍历，但带来了额外的内存开销。删除效率高。

应用场景：如微博的关注列表、粉丝列表。

3、set（无序集合）

string类型的无序集合，不允许重复的元素，底层实现是哈希表，添加、删除、查找的时间复杂度均为O（1）。
set与list类似，都可以存储多个字符串，而set通过哈希表来保证存储的string是各不相同的。
应用场景:存储不能重复的元素，如：用户名不能重复。

4、zset（有序集合）

与set类似，也是string类型的集合，有序的且不允许重复的元素。
底层实现：内部使用HashMap和跳跃表(SkipList)来保证数据的存储和有序，HashMap里放的是成员到score（优先级）的映射，而跳跃表里存放的是所有的成员，排序依据是HashMap里存的score,使用跳跃表的结构可以获得比较高的查找效率，并且在实现上比较简单。
应用场景：范围查找、排行榜等。

5、hash（哈希）

key对应的值是一个hashmap，每个hash中存储field及对应的value，其关系如下图所示：

hash的优点就是根据key+field直接操作其中一个value，而不用重复存储全部数据。
应用场景：存储部分变更的数据，如：用户数据等。

参考链接：
redis五种数据类型及其常见操作。
redis的五种数据结构原理分析。

三、Redis缓存穿透、缓存击穿、缓存雪崩

1、缓存穿透

key对应的数据源并不存在，每次针对此key的请求在缓存中获取不到，请求都会打数据源，这样的请求过多就会压垮数据库。

解决方案：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，一个一定不存在的数据就会被bitmap拦截掉，从而减小了对底层存储系统的查询压力。

2、缓存击穿

key对应的数据源存在，但在redis中过期，若有针对该key的大量请求并发过来，就会从后端DB加载数据并回设到缓存，从而造成数据库压力过大而崩溃。

解决方案：
①设置key永不过期。最安全可靠，但会一直占有内存且无法获取最新数据。
②加互斥锁。在读取数据为NULL的时候，将尝试获取锁，若成功就重新从数据库加载数据并回设缓存，若失败就睡眠一定时间（保证数据回设缓存已经完成）重新从缓存中获取数据。代码参考：缓存击穿解决代码。

3、缓存雪崩

当缓存服务器重启或大量缓存集中在某一个时间段失效，这样在失效的时候也会给数据库带来很大的压力。缓存雪崩是针对很多个key，而缓存击穿是针对某一个key来说的。

解决方案：
①将缓存过期时间设置为一个随机值,避免缓存在同一时间过期;
②使用双缓存策略,设置原始缓存和备用缓存,原缓存失效时,访问备用缓存，备用缓存的失效时间设置得长一些。直到原始缓存在后台更新完成后，才会返回新缓存。

四、Redis持久化存储

redis是内存数据库，一旦重启后所有数据都会丢失，因此，需要将redis中的数据做持久化存储到磁盘。redis的持久化存储有以下两种方式：

RDB（Redis Data Base）：

按照一定的时间周期执行快照，将内存中的数据保存到硬盘中。RDB是redis默认的持久化方式。

RDB的优点：
①适合冷备份。RDB是按时间周期存储，可以快速恢复之前某个时间段的数据。
②性能最大化。在同步数据的时候fork一个子进程去持久化，主进程继续处理命令。
③RDB数据恢复时的速度比AOF更高。

缺点：
①数据安全性低。RDB是间隔一段时间做持久化，如果这段时间redis发生故障，会发生数据丢失。
②RDB在生成数据快照时，若文件很大，客户端会暂停几毫米甚至几秒，若此时正在进行秒杀操作，性能会受到影响。

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redis重启时会从持久化的日志文件中恢复数据。

AOF的优点：
①数据安全性高。AOF每进行一次命令操作就会异步将数据记录到AOF中一次，若数据丢失，也只会丢失这一次的数据。
②rewrite模式。如用flushall命令误操作清空了所有数据，在后台没开始重写AOF文件之前，可以拷贝AOF日志文件，并删除其中的flushall命令。

缺点：
①同样的数据，AOF文件比RDB文件更大，恢复速度更慢；

RDB与AOF混合持久化

若单独使用RDB，可能会丢失很多数据；若单独使用AOF，数据恢复没有RDB快。因此，Redis4.0之后提供了混合持久化方式，也就是：采用RDB快照以一定频率执行保存数据，而在两次快照之间，使用AOF日志记录这期间的所有命令操作。

两种持久化存储方式如何选择

①如果你的业务场景需要很高的性能，或者宕机之后能够尽快的恢复，而对数据完整性的要求不是那么高，那么可以采用RDB持久化的方式。
②如果你的业务场景对数据完整性的要求很高，那么可以采用AOF持久化方式，而至于采用哪种回写策略，则取决于你对数据完整性的要求程度。
③如果你的业务场景既要兼顾性能，又注重数据完整性，那么可以采用混合持久化的方式。
④如果你对数据丢失无所谓，追求性能最大化的情况下，甚至可以禁用持久化。

此处参考：如何选择合适的持久化方式？。

五、过期key的删除策略

Redis是key-value型数据库，可以设置key的过期时间。在Redis中的过期策略有以下三种：
①定时删除： 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。
优点：保证内存被尽快释放；
缺点：若过期key很多，会需要占用大量CPU资源去处理过期数据，从而影响读取缓存的响应时间。
②惰性删除： 只有当访问这个key的时候，才会判断key是否过期，过期就删除。
优点：节省CPU资源；
缺点：若出现大量过期的key没有被访问，会占用大量内存；
③定期删除： 每隔一段时间，扫描一定数量设置了过期时间的key，并清除其中过期的key。
定期删除的性能介于定时删除和惰性删除之间。在内存占用方面，定期删除不如定时删除好；在CPU占用方面，定期删除不如惰性删除好。

为啥不扫描全部设置了过期时间的key呢？
假如Redis里面所有的key都有过期时间，都扫描一遍？那太恐怖了，而且我们线上基本上也都是会设置一定的过期时间的。全扫描跟你去查数据库不带where条件不走索引全表扫描一样，100s一次，Redis累都累死了。

Redis采用的key过期策略：惰性删除+定期删除。

六、内存淘汰策略

redis内存数据集大小上升到一定大小的时候，导致用于缓存的内存不足，就会施行数据淘汰策略。惰性删除+定期删除可能会残留大量的过期key，从而导致内存数据太大。

全局的键空间选择性移除
noeviction：当内存不足以容纳新写入数据时，新写入操作会报错。
allkeys-lru：当内存不足以容纳新写入数据时，在键空间中，移除最近最少使用的key。（这个是最常用的）
allkeys-random：当内存不足以容纳新写入数据时，在键空间中，随机移除某个key。

设置过期时间的键空间选择性移除
volatile-lru：当内存不足以容纳新写入数据时，在设置了过期时间的键空间中，移除最近最少使用的key。
volatile-random：当内存不足以容纳新写入数据时，在设置了过期时间的键空间中，随机移除某个key。
volatile-ttl：当内存不足以容纳新写入数据时，在设置了过期时间的键空间中，有更早过期时间的key优先移除。