Redis

Redis 知识全景图

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两大维度

• 系统维度
  从系统维度上说，你需要了解 Redis 的各项关键技术的设计原理，这些能够为你判断和推理问题打下坚实的基础，而且，你还能从中掌握一些优雅的系统设计规范，例如 run-to-complete 模型、epoll 网络模型，这些可以应用到你后续的系统开发实践中。
• 应用维度
  在应用维度上，我建议你按照两种方式学习: “应用场景驱动”和“典型案例驱动”，一个是“面”的梳理，一个是“点”的掌握。

三大准线

• 高性能主线，包括线程模型、数据结构、持久化、网络框架；
• 高可靠主线，包括主从复制、哨兵机制；
• 高可扩展主线，包括数据分片、负载均衡。

Redis 的问题画像图

Redis 的问题画像图

一、基础

基本架构：一个键值数据库包含什么？

• Memcached 支持的 value 类型仅为 String 类型，
• Redis 支持的 value 类型包括了 String、哈希表、列表、集合等。Redis 能够在实际业务场景中得到广泛的应用，就是得益于支持多样化类型的 value。

键值数据库的基本操作集合

• PUT：新写入或更新一个 key-value 对；
• GET：根据一个 key 读取相应的 value 值；
• DELETE：根据一个 key 删除整个 key-value 对；
• SCAN: 根据一段 key 的范围返回相应的 value 值；

SimpleKV

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如何定位键值对的位置？

索引的作用是让键值数据库根据 key 找到相应 value 的存储位置，进而执行操作。

不同键值数据库采用的索引并不相同

• Memcached 和 Redis 采用哈希表作为 key-value 索引
• RocksDB 则采用跳表作为内存中 key-value 的索引。

SimpleKV 演进到 Redis

SimpleKV 演进到 Redis

• Redis 主要通过网络框架进行访问，而不再是动态库了，这也使得 Redis 可以作为一个基础性的网络服务进行访问，扩大了 Redis 的应用范围。
• Redis 数据模型中的 value 类型很丰富，因此也带来了更多的操作接口，例如面向列表的 LPUSH/LPOP，面向集合的 SADD/SREM 等。在下节课，我将和你聊聊这些 value 模型背后的数据结构和操作效率，以及它们对 Redis 性能的影响。
• Redis 的持久化模块能支持两种方式：日志（AOF）和快照（RDB），这两种持久化方式具有不同的优劣势，影响到 Redis 的访问性能和可靠性。
• SimpleKV 是个简单的单机键值数据库，但是，Redis 支持高可靠集群和高可扩展集群，因此，Redis 中包含了相应的集群功能支撑模块。

数据结构：快速的Redis有哪些慢操作？

Redis 接收到一个键值对操作后，能以微秒级别的速度找到数据，并快速完成操作。

Redis 为啥这么快？

• 一方面，这是因为它是内存数据库，所有操作都在内存上完成，内存的访问速度本身就很快。
• 另一方面，这要归功于它的数据结构。这是因为，键值对是按一定的数据结构来组织的，操作键值对最终就是对数据结构进行增删改查操作，所以高效的数据结构是 Redis 快速处理数据的基础。

底层数据结构一共有 6 种，分别是

• 简单动态字符串
• 双向链表
• 压缩列表
• 哈希表
• 跳表
• 整数数组

它们和数据类型的对应关系如下图所示：

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• 可以看到，String 类型的底层实现只有一种数据结构，也就是简单动态字符串。
• 而 List、Hash、Set 和 Sorted Set 这四种数据类型，都有两种底层实现结构。通常情况下，我们会把这四种类型称为集合类型，它们的特点是一个键对应了一个集合的数据。

为了实现从键到值的快速访问，Redis 使用了一个哈希表来保存所有键值对。

全局哈希表

哈希表的最大好处很明显，就是让我们可以用 O(1) 的时间复杂度来快速查找到键值对——我们只需要计算键的哈希值，就可以知道它所对应的哈希桶位置，然后就可以访问相应的 entry 元素。

哈希表的冲突问题和 rehash 可能带来的操作阻塞。
Redis 解决哈希冲突的方式，就是链式哈希。链式哈希也很容易理解，就是指同一个哈希桶中的多个元素用一个链表来保存，它们之间依次用指针连接。

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哈希冲突链上的元素只能通过指针逐一查找再操作。如果哈希表里写入的数据越来越多，哈希冲突可能也会越来越多，这就会导致某些哈希冲突链过长，进而导致这个链上的元素查找耗时长，效率降低。对于追求“快”的 Redis 来说，这是不太能接受的。
Redis 会对哈希表做 rehash 操作。rehash 也就是增加现有的哈希桶数量，让逐渐增多的 entry 元素能在更多的桶之间分散保存，减少单个桶中的元素数量，从而减少单个桶中的冲突。

Redis 采用了渐进式 rehash。避免rehash的过程中大量的数据拷贝造成的Redis现场阻塞问题。

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高性能IO模型：为什么单线程Redis能那么快？

Redis 是单线程，主要是指 Redis 的网络 IO 和键值对读写是由一个线程来完成的，这也是 Redis 对外提供键值存储服务的主要流程。

单线程 Redis 为什么那么快？

• 一方面，Redis 的大部分操作在内存上完成，再加上它采用了高效的数据结构，例如哈希表和跳表，这是它实现高性能的一个重要原因。
• 另一方面，就是 Redis 采用了多路复用机制，使其在网络 IO 操作中能并发处理大量的客户端请求，实现高吞吐率。

多路复用机制
基本 IO 模型与阻塞点

非阻塞模式
在 socket 模型中，不同操作调用后会返回不同的套接字类型。socket() 方法会返回主动套接字，然后调用 listen() 方法，将主动套接字转化为监听套接字，此时，可以监听来自客户端的连接请求。最后，调用 accept() 方法接收到达的客户端连接，并返回已连接套接字。

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基于多路复用的高性能 I/O 模型
Linux 中的 IO 多路复用机制是指一个线程处理多个 IO 流，就是我们经常听到的 select/epoll 机制。简单来说，在 Redis 只运行单线程的情况下，该机制允许内核中，同时存在多个监听套接字和已连接套接字。内核会一直监听这些套接字上的连接请求或数据请求。一旦有请求到达，就会交给 Redis 线程处理，这就实现了一个 Redis 线程处理多个 IO 流的效果。

下图就是基于多路复用的 Redis IO 模型。图中的多个 FD 就是刚才所说的多个套接字。Redis 网络框架调用 epoll 机制，让内核监听这些套接字。此时，Redis 线程不会阻塞在某一个特定的监听或已连接套接字上，也就是说，不会阻塞在某一个特定的客户端请求处理上。正因为此，Redis 可以同时和多个客户端连接并处理请求，从而提升并发性。

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AOF日志：宕机了，Redis如何避免数据丢失？

Redis 的持久化主要有两大机制

• AOF（Append Only File）日志
• RDB 快照

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AOF后写日志好处

• 好处一： 可以避免出现记录错误命令的情况。为了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。
• 好处二：它是在命令执行后才记录日志，所以不会阻塞当前的写操作。

AOF三种写回策略
设置appendfsync

• Always，同步写回：每个写命令执行完，立马同步地将日志写回磁盘；
  “同步写回”可以做到基本不丢数据，但是它在每一个写命令后都有一个慢速的落盘操作，不可避免地会影响主线程性能；
• Everysec，每秒写回：每个写命令执行完，只是先把日志写到 AOF 文件的内存缓冲区，每隔一秒把缓冲区中的内容写入磁盘；
  虽然“操作系统控制的写回”在写完缓冲区后，就可以继续执行后续的命令，但是落盘的时机已经不在 Redis 手中了，只要 AOF 记录没有写回磁盘，一旦宕机对应的数据就丢失了；

• No，操作系统控制的写回：每个写命令执行完，只是先把日志写到 AOF 文件的内存缓冲区，由操作系统决定何时将缓冲区内容写回磁盘。
  “每秒写回”采用一秒写回一次的频率，避免了“同步写回”的性能开销，虽然减少了对系统性能的影响，但是如果发生宕机，上一秒内未落盘的命令操作仍然会丢失。所以，这只能算是，在避免影响主线程性能和避免数据丢失两者间取了个折中。

  
  
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日志文件太大了怎么办？
AOF 重写机制优化日志文件太大问题，旧日志文件中的多条命令，在重写后的新日志中变成了一条命令。

AOF 重写会阻塞吗?
AOF重写的过程总结为“一个拷贝，两处日志”。
“一个拷贝”就是指，每次执行重写时，主线程 fork 出后台的 bgrewriteaof 子进程。此时，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。
“两处日志”又是什么呢？
因为主线程未阻塞，仍然可以处理新来的操作。此时，如果有写操作，第一处日志就是指正在使用的 AOF 日志，Redis 会把这个操作写到它的缓冲区。这样一来，即使宕机了，这个 AOF 日志的操作仍然是齐全的，可以用于恢复。
而第二处日志，就是指新的 AOF 重写日志。这个操作也会被写到重写日志的缓冲区。这样，重写日志也不会丢失最新的操作。等到拷贝数据的所有操作记录重写完成后，重写日志记录的这些最新操作也会写入新的 AOF 文件，以保证数据库最新状态的记录。此时，我们就可以用新的 AOF 文件替代旧文件了。

AOF非阻塞的重写过程

什么时候会触发AOF 重写呢？

1. auto-aof-rewrite-min-size: 表示运行AOF重写时文件的最小大小，默认为64MB
2. auto-aof-rewrite-percentage: 这个值的计算方法是：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。

AOF文件大小同时超出上面这两个配置项时，会触发AOF重写。

内存快照：宕机后，Redis如何实现快速恢复？

Redis 的数据都在内存中，为了提供所有数据的可靠性保证，它执行的是全量快照

Redis 提供了两个命令来生成 RDB 文件，分别是 save 和 bgsave。

• save：在主线程中执行，会导致阻塞；
• bgsave：创建一个子进程，专门用于写入 RDB 文件，避免了主线程的阻塞，这也是 Redis RDB 文件生成的默认配置。

Redis 会借助操作系统提供的写时复制技术（Copy-On-Write, COW），在执行快照的同时，正常处理写操作。避免写的时候过长，期间数据变化，导致的快照的数据不是该时间的数据问题。

快照机制下的数据丢失

Redis 4.0 中提出了一个混合使用 AOF 日志和内存快照的方法。简单来说，内存快照以一定的频率执行，在两次快照之间，使用 AOF 日志记录这期间的所有命令操作。这样一来，快照不用很频繁地执行，这就避免了频繁 fork 对主线程的影响。而且，AOF 日志也只用记录两次快照间的操作，也就是说，不需要记录所有操作了，因此，就不会出现文件过大的情况了，也可以避免重写开销。

内存快照和AOF混合使用

数据同步：主从库如何实现数据一致？

Redis 提供了主从库模式，以保证数据副本的一致，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。

Redis主从库和读写分离

当我们启动多个 Redis 实例的时候，它们相互之间就可以通过 replicaof（Redis 5.0 之前使用 slaveof）命令形成主库和从库的关系，之后会按照三个阶段完成数据的第一次同步。

主从库第一次同步的流程g

第一阶段是主从库间建立连接、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。

主从级联模式分担全量复制时的主库压力
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。

级联的“主-从-从”模式

主从库间网络断了怎么办？
repl_backlog_buffer 是一个环形缓冲区，主库会记录自己写到的位置，从库则会记录自己已经读到的位置。

哨兵机制：主库挂了，如何不间断服务？

哨兵机制的基本流程

哨兵主要负责的就是三个任务：

• 监控
• 选主（选择主库）
• 通知

监控是指哨兵进程在运行时，周期性地给所有的主从库发送 PING 命令，检测它们是否仍然在线运行。如果从库没有在规定时间内响应哨兵的 PING 命令，哨兵就会把它标记为“下线状态”；同样，如果主库也没有在规定时间内响应哨兵的 PING 命令，哨兵就会判定主库下线，然后开始自动切换主库的流程。
这个流程首先是执行哨兵的第二个任务，选主。主库挂了以后，哨兵就需要从很多个从库里，按照一定的规则选择一个从库实例，把它作为新的主库。这一步完成后，现在的集群里就有了新主库。
然后，哨兵会执行最后一个任务：通知。在执行通知任务时，哨兵会把新主库的连接信息发给其他从库，让它们执行 replicaof 命令，和新主库建立连接，并进行数据复制。同时，哨兵会把新主库的连接信息通知给客户端，让它们把请求操作发到新主库上。

哨兵机制的三项任务与目标

主观下线和客观下线

哨兵进程会使用 PING 命令检测它自己和主、从库的网络连接情况，用来判断实例的状态。

• 判断从库下线：如果哨兵发现主库或从库对 PING 命令的响应超时了，那么，哨兵就会先把它标记为“主观下线”。
• 判断主库下线：判断主库是否下线时，不能由一个哨兵说了算，只有大多数的哨兵实例，都判断主库已经“主观下线”了，主库才会被标记为“客观下线”，这个叫法也是表明主库下线成为一个客观事实了。这个判断原则就是：少数服从多数。

如何选定新主库？

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在选主时从库正常在线，这只能表示从库的现状良好，并不代表它就是最适合做主库的。
选主时，除了要检查从库的当前在线状态，还要判断它之前的网络连接状态。如果从库总是和主库断连，而且断连次数超出了一定的阈值，我们就有理由相信，这个从库的网络状况并不是太好，就可以把这个从库筛掉了。

第一轮：优先级最高的从库得分高。
第二轮：和旧主库同步程度最接近的从库得分高。
第三轮：ID 号小的从库得分高。

Redis 的哨兵机制自动完成了以下三大功能，从而实现了主从库的自动切换，可以降低 Redis 集群的运维开销：

• 监控主库运行状态，并判断主库是否客观下线；
• 在主库客观下线后，选取新主库；
• 选出新主库后，通知从库和客户端。

哨兵集群：哨兵挂了，主从库还能切换吗？

基于 pub/sub 机制的哨兵集群组成

哨兵实例之间可以相互发现，要归功于 Redis 提供的 pub/sub 机制，也就是发布 / 订阅机制。

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由哪个哨兵执行主从切换？

总结
支持哨兵集群的这些关键机制

• 基于 pub/sub 机制的哨兵集群组成过程；
• 基于 INFO 命令的从库列表，这可以帮助哨兵和从库建立连接；
• 基于哨兵自身的 pub/sub 功能，这实现了客户端和哨兵之间的事件通知。

要保证所有哨兵实例的配置是一致的，尤其是主观下线的判断值 down-after-milliseconds。

切片集群：数据增多了，是该加内存还是加实例？

切片集群，也叫分片集群，就是指启动多个 Redis 实例组成一个集群，然后按照一定的规则，把收到的数据划分成多份，每一份用一个实例来保存。

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如何保存更多数据？

Redis 应对数据量增多的两种方案：纵向扩展（scale up）和横向扩展（scale out）。

• 纵向扩展：升级单个 Redis 实例的资源配置，包括增加内存容量、增加磁盘容量、使用更高配置的 CPU。就像下图中，原来的实例内存是 8GB，硬盘是 50GB，纵向扩展后，内存增加到 24GB，磁盘增加到 150GB。
• 横向扩展：横向增加当前 Redis 实例的个数，就像下图中，原来使用 1 个 8GB 内存、50GB 磁盘的实例，现在使用三个相同配置的实例。

纵向扩展问题
第一个问题是，当使用 RDB 对数据进行持久化时，如果数据量增加，需要的内存也会增加，主线程 fork 子进程时就可能会阻塞（比如刚刚的例子中的情况）。不过，如果你不要求持久化保存 Redis 数据，那么，纵向扩展会是一个不错的选择。
第二个问题：纵向扩展会受到硬件和成本的限制。这很容易理解，毕竟，把内存从 32GB 扩展到 64GB 还算容易，但是，要想扩充到 1TB，就会面临硬件容量和成本上的限制了。
在面向百万、千万级别的用户规模时，横向扩展的 Redis 切片集群会是一个非常好的选择。

横向扩展
待补充

“万金油”的String，为什么不好用了？

String 类型并不是适用于所有场合的，它有一个明显的短板，就是它保存数据时所消耗的内存空间较多。

为什么 String 类型内存开销大？

String 类型还需要额外的内存空间记录数据长度、空间使用等信息，这些信息也叫作元数据。当实际保存的数据较小时，元数据的空间开销就显得比较大了，有点“喧宾夺主”的意思。
当保存的数据中包含字符时，String 类型就会用简单动态字符串（Simple Dynamic String，SDS）结构体来保存，如下图所示

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• buf：字节数组，保存实际数据。为了表示字节数组的结束，Redis 会自动在数组最后加一个“\0”，这就会额外占用 1 个字节的开销。
• len：占 4 个字节，表示 buf 的已用长度。
• alloc：也占个 4 字节，表示 buf 的实际分配长度，一般大于 len。

总结

以前，我们认为 String 是“万金油”，什么场合都适用，但是，在保存的键值对本身占用的内存空间不大时（例如这节课里提到的的图片 ID 和图片存储对象 ID），String 类型的元数据开销就占据主导了，这里面包括了 RedisObject 结构、SDS 结构、dictEntry 结构的内存开销。
针对这种情况，我们可以使用压缩列表保存数据。当然，使用 Hash 这种集合类型保存单值键值对的数据时，我们需要将单值数据拆分成两部分，分别作为 Hash 集合的键和值，就像刚才案例中用二级编码来表示图片 ID，希望你能把这个方法用到自己的场景中。
最后，我还想再给你提供一个小方法：如果你想知道键值对采用不同类型保存时的内存开销，可以在这个网址里输入你的键值对长度和使用的数据类型，这样就能知道实际消耗的内存大小了。建议你把这个小工具用起来，它可以帮助你充分地节省内存。

有一亿个keys要统计，应该用哪种集合？

有一亿个keys要统计，应该用哪种集合？

常用的集合统计模式

• 聚合统计
• 排序统计
• 二值状态统计
• 基数统计

聚合统计

当需要对多个集合进行聚合计算时，Set 类型会是一个非常不错的选择

注意：Set 的差集、并集和交集的计算复杂度较高，在数据量较大的情况下，如果直接执行这些计算，会导致 Redis 实例阻塞。所以，我给你分享一个小建议：你可以从主从集群中选择一个从库，让它专门负责聚合计算，或者是把数据读取到客户端，在客户端来完成聚合统计，这样就可以规避阻塞主库实例和其他从库实例的风险了。

排序统计

List 是按照元素进入 List 的顺序进行排序的，而 Sorted Set 可以根据元素的权重来排序

面对需要展示最新列表、排行榜等场景时，如果数据更新频繁或者需要分页显示，建议你优先考虑使用 Sorted Set。

二值状态统计

二值状态统计。这里的二值状态就是指集合元素的取值就只有 0 和 1 两种。

基数统计

总结

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GEO是什么？还可以定义新的数据类型吗？

面向 LBS 应用的 GEO 数据类型

在日常生活中，我们越来越依赖搜索“附近的餐馆”、在打车软件上叫车，这些都离不开基于位置信息服务（Location-Based Service，LBS）的应用。LBS 应用访问的数据是和人或物关联的一组经纬度信息，而且要能查询相邻的经纬度范围，GEO 就非常适合应用在 LBS 服务的场景中，我们来看一下它的底层结构。

GEO 的底层结构

GeoHash 的编码方法
为了能高效地对经纬度进行比较，Redis 采用了业界广泛使用的 GeoHash 编码方法，这个方法的基本原理就是“二分区间，区间编码”。

GEO 类型是把经纬度所在的区间编码作为 Sorted Set 中元素的权重分数，把和经纬度相关的车辆 ID 作为 Sorted Set 中元素本身的值保存下来，这样相邻经纬度的查询就可以通过编码值的大小范围查询来实现了。

消息队列的考验：Redis有哪些解决方案？

消息队列的消息存取需求

消息队列在存取消息时，必须要满足三个需求，分别是

• 消息保序
  虽然消费者是异步处理消息，但是，消费者仍然需要按照生产者发送消息的顺序来处理消息，避免后发送的消息被先处理了。对于要求消息保序的场景来说，一旦出现这种消息被乱序处理的情况，就可能会导致业务逻辑被错误执行，从而给业务方造成损失。
• 处理重复的消息
  消费者从消息队列读取消息时，有时会因为网络堵塞而出现消息重传的情况。此时，消费者可能会收到多条重复的消息。对于重复的消息，消费者如果多次处理的话，就可能造成一个业务逻辑被多次执行，如果业务逻辑正好是要修改数据，那就会出现数据被多次修改的问题了。
• 保证消息可靠性
  消费者在处理消息的时候，还可能出现因为故障或宕机导致消息没有处理完成的情况。此时，消息队列需要能提供消息可靠性的保证，也就是说，当消费者重启后，可以重新读取消息再次进行处理，否则，就会出现消息漏处理的问题了。

Redis 的 List 和 Streams 两种数据类型，就可以满足消息队列的这三个需求

方案一 基于 List 的消息队列解决方案

1. List 本身数据结构就是 FIFO ，满足消息保序需求

注意如下的性能问题：
在生产者往 List 中写入数据时，List 并不会主动地通知消费者有新消息写入，如果消费者想要及时处理消息，就需要在程序中不停地调用 RPOP 命令（比如使用一个 while(1) 循环）。如果有新消息写入，RPOP 命令就会返回结果，否则，RPOP 命令返回空值，再继续循环。所以，即使没有新消息写入 List，消费者也要不停地调用 RPOP 命令，这就会导致消费者程序的 CPU 一直消耗在执行 RPOP 命令上，带来不必要的性能损失。
Redis 提供了 BRPOP 命令。BRPOP 命令也称为阻塞式读取，客户端在没有读到队列数据时，自动阻塞，直到有新的数据写入队列，再开始读取新数据。和消费者程序自己不停地调用 RPOP 命令相比，这种方式能节省 CPU 开销。

2. 处理重复的消息
   List 本身是不会为每个消息生成 ID 号的，所以，消息的全局唯一 ID 号就需要生产者程序在发送消息前自行生成。生成之后，我们在用 LPUSH 命令把消息插入 List 时，需要在消息中包含这个全局唯一 ID。消费者程序本身能对重复消息进行判断。

3. 消息可靠性
   当消费者程序从 List 中读取一条消息后，List 就不会再留存这条消息了。所以，如果消费者程序在处理消息的过程出现了故障或宕机，就会导致消息没有处理完成，那么，消费者程序再次启动后，就没法再次从 List 中读取消息了。
   为了留存消息，List 类型提供了 BRPOPLPUSH 命令，这个命令的作用是让消费者程序从一个 List 中读取消息，同时，Redis 会把这个消息再插入到另一个 List（可以叫作备份 List）留存。这样一来，如果消费者程序读了消息但没能正常处理，等它重启后，就可以从备份 List 中重新读取消息并进行处理了。

   
   
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问题：生产者消息发送很快，而消费者处理消息的速度比较慢，这就导致 List 中的消息越积越多，给 Redis 的内存带来很大压力。
我们希望启动多个消费者程序组成一个消费组，一起分担处理 List 中的消息。但是，List 类型并不支持消费组的实现。
5.0以后，新增了 Streams 类型，可以见下面的新方案

方案二 基于 Streams 的消息队列解决方案

Streams 是 Redis 专门为消息队列设计的数据类型，它提供了丰富的消息队列操作命令。

• XADD：插入消息，保证有序，可以自动生成全局唯一 ID；
• XREAD：用于读取消息，可以按 ID 读取数据；
• XREADGROUP：按消费组形式读取消息；
• XPENDING 和 XACK：XPENDING 命令可以用来查询每个消费组内所有消费者已读取但尚未确认的消息，而 XACK 命令用于向消息队列确认消息处理已完成。

为了保证消费者在发生故障或宕机再次重启后，仍然可以读取未处理完的消息，Streams 会自动使用内部队列（也称为 PENDING List）留存消费组里每个消费者读取的消息，直到消费者使用 XACK 命令通知 Streams“消息已经处理完成”。如果消费者没有成功处理消息，它就不会给 Streams 发送 XACK 命令，消息仍然会留存。此时，消费者可以在重启后，用 XPENDING 命令查看已读取、但尚未确认处理完成的消息。

总结

List & Streams 对比

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异步机制：如何避免单线程模型的阻塞？

Redis 性能的 5 大方面的潜在因素，分别是：

• Redis 内部的阻塞式操作；
• CPU 核和 NUMA 架构的影响；
• Redis 关键系统配置；
• Redis 内存碎片；
• Redis 缓冲区。

Redis 实例有哪些阻塞点？

• 客户端：网络 IO，键值对增删改查操作，数据库操作；
• 磁盘：生成 RDB 快照，记录 AOF 日志，AOF 日志重写；
• 主从节点：主库生成、传输 RDB 文件，从库接收 RDB 文件、清空数据库、加载 RDB 文件；
• 切片集群实例：向其他实例传输哈希槽信息，数据迁移。

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Redis 中涉及集合的操作复杂度通常为 O(N)，我们要在使用时重视起来。例如集合元素全量查询操作 HGETALL、SMEMBERS，以及集合的聚合统计操作，例如求交、并和差集。这些操作可以作为 Redis 的第一个阻塞点：集合全量查询和聚合操作。

• 第一个阻塞点：集合全量查询和聚合操作。
  和客户端交互时的阻塞点
• 第二个阻塞点：bigkey 删除操作。
  和客户端交互时的阻塞点
• 第三个阻塞点：清空数据库。
  和客户端交互时的阻塞点
• 第四个阻塞点：AOF 日志同步写。
  和磁盘交互时的阻塞点
• 第五个阻塞点：加载 RDB 文件。
  切片集群实例交互时的阻塞点

哪些阻塞点可以异步执行？

五大阻塞点来说，除了“集合全量查询和聚合操作”和“从库加载 RDB 文件”，其他三个阻塞点涉及的操作都不在关键路径上，所以，我们可以使用 Redis 的异步子线程机制来实现 bigkey 删除，清空数据库，以及 AOF 日志同步写。

异步的子线程机制

Redis 主线程启动后，会使用操作系统提供的 pthread_create 函数创建 3 个子线程，分别由它们负责 AOF 日志写操作、键值对删除以及文件关闭的异步执行。
主线程通过一个链表形式的任务队列和子线程进行交互。当收到键值对删除和清空数据库的操作时，主线程会把这个操作封装成一个任务，放入到任务队列中，然后给客户端返回一个完成信息，表明删除已经完成。
但实际上，这个时候删除还没有执行，等到后台子线程从任务队列中读取任务后，才开始实际删除键值对，并释放相应的内存空间。因此，我们把这种异步删除也称为惰性删除（lazy free）。此时，删除或清空操作不会阻塞主线程，这就避免了对主线程的性能影响。
和惰性删除类似，当 AOF 日志配置成 everysec 选项后，主线程会把 AOF 写日志操作封装成一个任务，也放到任务队列中。后台子线程读取任务后，开始自行写入 AOF 日志，这样主线程就不用一直等待 AOF 日志写完了。

为什么CPU结构也会影响Redis的性能？

波动的响应延迟：如何应对变慢的Redis？（上）

Redis 自身操作特性的影响

1. 慢查询命令
   当你发现 Redis 性能变慢时，可以通过 Redis 日志，或者是 latency monitor 工具，查询变慢的请求，根据请求对应的具体命令以及官方文档，确认下是否采用了复杂度高的慢查询命令。
   如果的确有大量的慢查询命令，有两种处理方式：

• 用其他高效命令代替。比如说，如果你需要返回一个 SET 中的所有成员时，不要使用 SMEMBERS 命令，而是要使用 SSCAN 多次迭代返回，避免一次返回大量数据，造成线程阻塞。
• 当你需要执行排序、交集、并集操作时，可以在客户端完成，而不要用 SORT、SUNION、SINTER 这些命令，以免拖慢 Redis 实例。

注意：因为 KEYS 命令需要遍历存储的键值对，所以操作延时高。如果你不了解它的实现而使用了它，就会导致 Redis 性能变慢。所以，KEYS 命令一般不被建议用于生产环境中。

2. 过期 key 操作

过期 key 的自动删除机制。它是 Redis 用来回收内存空间的常用机制，应用广泛，本身就会引起 Redis 操作阻塞，导致性能变慢，所以，你必须要知道该机制对性能的影响。
Redis 键值对的 key 可以设置过期时间。默认情况下，Redis 每 100 毫秒会删除一些过期 key，具体的算法如下：

• 采样 ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_LOOKUPS_PER_LOOP 个数的 key，并将其中过期的 key 全部删除；
• 如果超过 25% 的 key 过期了，则重复删除的过程，直到过期 key 的比例降至 25% 以下。

ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_LOOKUPS_PER_LOOP 是 Redis 的一个参数，默认是 20，那么，一秒内基本有 200 个过期 key 会被删除。这一策略对清除过期 key、释放内存空间很有帮助。如果每秒钟删除 200 个过期 key，并不会对 Redis 造成太大影响。
但是，如果触发了上面这个算法的第二条，Redis 就会一直删除以释放内存空间。注意，删除操作是阻塞的（Redis 4.0 后可以用异步线程机制来减少阻塞影响）。所以，一旦该条件触发，Redis 的线程就会一直执行删除，这样一来，就没办法正常服务其他的键值操作了，就会进一步引起其他键值操作的延迟增加，Redis 就会变慢。

总结

Redis 变慢的方法，一个是看响应延迟，一个是看基线性能。同时，我还给了你两种排查和解决 Redis 变慢这个问题的方法：

• 从慢查询命令开始排查，并且根据业务需求替换慢查询命令；
• 排查过期 key 的时间设置，并根据实际使用需求，设置不同的过期时间。

波动的响应延迟：如何应对变慢的Redis？（下）

文件系统：AOF 模式

为了保证数据可靠性，Redis 会采用 AOF 日志或 RDB 快照。其中，AOF 日志提供了三种日志写回策略：no、everysec、always。这三种写回策略依赖文件系统的两个系统调用完成，也就是 write 和 fsync。

write 只要把日志记录写到内核缓冲区，就可以返回了，并不需要等待日志实际写回到磁盘；而 fsync 需要把日志记录写回到磁盘后才能返回，时间较长。下面这张表展示了三种写回策略所执行的系统调用。

image.png

操作系统：swap

如果 Redis 的 AOF 日志配置只是 no，或者就没有采用 AOF 模式，那么，还会有什么问题导致性能变慢吗？
接下来，我就再说一个潜在的瓶颈：操作系统的内存 swap。

内存 swap 是操作系统里将内存数据在内存和磁盘间来回换入和换出的机制，涉及到磁盘的读写，所以，一旦触发 swap，无论是被换入数据的进程，还是被换出数据的进程，其性能都会受到慢速磁盘读写的影响。

Redis 是内存数据库，内存使用量大，如果没有控制好内存的使用量，或者和其他内存需求大的应用一起运行了，就可能受到 swap 的影响，而导致性能变慢。

这一点对于 Redis 内存数据库而言，显得更为重要：正常情况下，Redis 的操作是直接通过访问内存就能完成，一旦 swap 被触发了，Redis 的请求操作需要等到磁盘数据读写完成才行。而且，和我刚才说的 AOF 日志文件读写使用 fsync 线程不同，swap 触发后影响的是 Redis 主 IO 线程，这会极大地增加 Redis 的响应时间。

什么时候会触发 swap 呢？
通常，触发 swap 的原因主要是物理机器内存不足，对于 Redis 而言，有两种常见的情况：Redis 实例自身使用了大量的内存，导致物理机器的可用内存不足；和 Redis 实例在同一台机器上运行的其他进程，在进行大量的文件读写操作。文件读写本身会占用系统内存，这会导致分配给 Redis 实例的内存量变少，进而触发 Redis 发生 swap。

一旦发生内存 swap，最直接的解决方法就是增加机器内存。如果该实例在一个 Redis 切片集群中，可以增加 Redis 集群的实例个数，来分摊每个实例服务的数据量，进而减少每个实例所需的内存量。

操作系统：内存大页

除了内存 swap，还有一个和内存相关的因素，即内存大页机制（Transparent Huge Page, THP），也会影响 Redis 性能。
Linux 内核从 2.6.38 开始支持内存大页机制，该机制支持 2MB 大小的内存页分配，而常规的内存页分配是按 4KB 的粒度来执行的。

排查下内存大页

cat /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/enabled

如果执行结果是 always，就表明内存大页机制被启动了；如果是 never，就表示，内存大页机制被禁止。

在实际生产环境中部署时，我建议你不要使用内存大页机制，操作也很简单，只需要执行下面的命令就可以了：

echo never /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/enabled

总结

文件系统和操作系统两个维度，分析Redis 变慢的方法

• 1. 获取 Redis 实例在当前环境下的基线性能。
• 2. 是否用了慢查询命令？如果是的话，就使用其他命令替代慢查询命令，或者把聚合计算命令放在客户端做。
• 3. 是否对过期 key 设置了相同的过期时间？对于批量删除的 key，可以在每个 key 的过期时间上加一个随机数，避免同时删除。
• 4. 是否存在 bigkey？ 对于 bigkey 的删除操作，如果你的 Redis 是 4.0 及以上的版本，可以直接利用异步线程机制减少主线程阻塞；如果是 Redis 4.0 以前的版本，可以使用 SCAN 命令迭代删除；对于 bigkey 的集合查询和聚合操作，可以使用 SCAN 命令在客户端完成。
• 5. Redis AOF 配置级别是什么？业务层面是否的确需要这一可靠性级别？如果我们需要高性能，同时也允许数据丢失，可以将配置项 no-appendfsync-on-rewrite 设置为 yes，避免 AOF 重写和 fsync 竞争磁盘 IO 资源，导致 Redis 延迟增加。当然， 如果既需要高性能又需要高可靠性，最好使用高速固态盘作为 AOF 日志的写入盘。
• 6. Redis 实例的内存使用是否过大？发生 swap 了吗？如果是的话，就增加机器内存，或者是使用 Redis 集群，分摊单机 Redis 的键值对数量和内存压力。同时，要避免出现 Redis 和其他内存需求大的应用共享机器的情况。
• 7. 在 Redis 实例的运行环境中，是否启用了透明大页机制？如果是的话，直接关闭内存大页机制就行了。
• 8. 是否运行了 Redis 主从集群？如果是的话，把主库实例的数据量大小控制在 2~4GB，以免主从复制时，从库因加载大的 RDB 文件而阻塞。
• 9. 是否使用了多核 CPU 或 NUMA 架构的机器运行 Redis 实例？使用多核 CPU 时，可以给 Redis 实例绑定物理核；使用 NUMA 架构时，注意把 Redis 实例和网络中断处理程序运行在同一个 CPU Socket 上。

删除数据后，为什么内存占用率还是很高？

明明做了数据删除，数据量已经不大了，为什么使用 top 命令查看时，还会发现 Redis 占用了很多内存呢？
这是因为，当数据删除后，Redis 释放的内存空间会由内存分配器管理，并不会立即返回给操作系统。所以，操作系统仍然会记录着给 Redis 分配了大量内存。

什么是内存碎片？