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為什么要使用Redis做緩存?

jf_ro2CN3Fa ? 來源:CSDN ? 2023-03-13 09:50 ? 次閱讀


1、為什么要使用Redis做緩存?

緩存的好處

使用緩存的目的就是提升讀寫性能。而實際業務場景下,更多的是為了提升讀性能,帶來更高的并發量。

Redis的好處

  • 讀取速度快,單機輕松10W+并發。
  • 支持多種數據結構,包括字符串、列表、集合、有序集合、哈希等
  • 擁有其他豐富的功能,主從復制、集群、數據持久化等
  • 可以實現其他功能,消息隊列、分布式鎖等

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2、為什么Redis單線程模型效率也能那么高?

  • C語言實現,效率高: C語言程序運行時要比其他語言編寫的程序快得多,因為它“離底層機器很近”
  • 單線程的優勢: 使用了單線程后可以省去多線程的CPU上下文會切換的時間,也不用去考慮鎖導致的性能消耗等問題,可維護性高
  • Pipeline: Redis主要受限于內存和網絡,幾乎不會占用太多CPU。利用pipeline操作,減少命令在網絡上的傳輸時間,將多次網絡IO縮減為一次網絡IO
  • 存儲實現優化: Redis的基礎數據結構每一種至少有2種及2種以上的實現,在不同的大小或長度下選用適合的數據類型,達到極致的存儲效率,從而提高寫入和讀取速度

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3、Redis6.0為什么要引入多線程呢?

多線程只是針對IO線程,執行命令還是單線程。

Redis服務器可以處理80,000到100,000QPS,對于80%的公司來說,單線程的Redis已經足夠使用了。但隨著越來越復雜的業務場景,有些公司動不動就上億的交易量,因此需要更大的QPS。

所以Redis作者在6.0引入了多線程,性能提升至少一倍以上。當然集群方案也可以解決更大QPS的問題,但是集群方案還是有一些問題的:

  • 常見集群方案是對數據進行分區并采用多個服務器,但該方案有非常大的缺點,例如要管理的Redis服務器太多,維護代價大
  • 某些適用于單個Redis服務器的命令不適用于數據分區
  • 數據分區無法解決熱點讀/寫問題;數據傾斜、重新分配變得更加復雜等等

4、Redis常見數據結構以及使用場景

字符串(String)

使用場景

  • 計數: 使用Redis 作為計數的基礎工具,它可以實現快速計數、查詢緩存的功能,同時數據可以異步落地到其他數據源
  • 共享Session: 使用Redis將用戶的Session進行集中管理,避免在訪問分布式服務時Session不存在導致重新登錄
  • 限速: 短信接口不被頻繁訪問,例如一分鐘不能超過5次

哈希(Hash)

Java里提供了HashMap,Redis中也有類似的數據結構,就是哈希類型。但是要注意,哈希類型中的映射關系叫作field-value,注意這里的value是指field對應的值,不是鍵對應的值。

使用場景

哈希類型比較適宜存放對象類型的數據,我們可以比較下,如果數據庫中表記錄user為:

id name age
1 test1 18
2 test2 20

使用String類型

setuser:1{"id":1,"name":"test1","age":18};

優點:簡單直觀,每個鍵對應一個值

缺點:鍵數過多,占用內存多,用戶信息過于分散

使用hash類型

hmsetuser:1nametest1age18
hmsetuser:2nametest2age20

優點:簡單直觀,使用合理可減少內存空間消耗

列表(list)

列表( list)類型是用來存儲多個有序的字符串,a、b、c、c、b四個元素從左到右組成了一個有序的列表,列表中的每個字符串稱為元素(element),一個列表最多可以存儲(2^32-1)個元素(4294967295)。

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使用場景

  • 每個用戶有屬于自己的文章列表,需要分頁展示文章列表。
  • 消息隊列,Redis的lpush+rpop命令組合即可實現阻塞隊列。

集合(set)

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集合( set)類型也是用來保存多個的字符串元素,但和列表類型不一樣的是,集合中不允許有重復元素,并且集合中的元素是無序的,不能通過索引下標獲取元素。

使用場景

集合類型比較典型的使用場景是標簽(tag)。例如一個用戶可能對娛樂、體育比較感興趣,另一個用戶可能對歷史、新聞比較感興趣,這些興趣點就是標簽。有了這些數據就可以得到喜歡同一個標簽的人,以及用戶的共同喜好的標簽,這些數據對于用戶體驗以及增強用戶黏度比較重要。

除此之外,集合還可以通過生成隨機數進行比如抽獎活動,以及社交圖譜等等。

有序集合(ZSET)

有序集合給每個元素設置一個分數(score)作為排序的依據。提供了獲取指定分數和元素范圍查詢、計算成員排名等功能,合理的利用有序集合,能幫助我們在實際開發中解決很多問題。

適合場景

有序集合比較典型的使用場景就是排行榜系統。例如視頻網站需要對用戶上傳的視頻做排行榜,榜單的維度可能是多個方面的:按照時間、按照播放數量、按照獲得的贊數。

5、pipeline有什么好處,為什么要用 pipeline?

Redis客戶端執行一條命令分為如下4個部分:1)發送命令2)命令排隊3)命令執行4)返回結果。

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其中1和4花費的時間稱為Round Trip Time (RTT,往返時間),也就是數據在網絡上傳輸的時間,占用了絕大多的時間。

舉個例子:Redis的客戶端和服務端兩地直線距離約為800公里,那么1次RTT時間=800 x2/ ( 300000×2/3 ) =8毫秒,(光在真空中傳輸速度為每秒30萬公里,這里假設光纖為光速的2/3 )。而Redis命令真正執行的時間通常在微秒(1000微妙=1毫秒)級別,所以才會有Redis性能瓶頸是網絡這樣的說法。

Pipeline(流水線)機制能改善上面這類問題,它能將一組Redis命令進行組裝,通過一次RTT傳輸給Redis,再將這組Redis命令的執行結果按順序返回給客戶端。

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非Pipeline和Pipeline執行10000次set操作的效果,在執行時間上的比對如下:

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差距有100多倍,可以得到如下兩個結論:

  • Pipeline減少了網絡的開銷,執行速度一般比逐條執行要快。
  • 客戶端和服務端的網絡延時越大,Pipeline的效果越明顯。

6、Redis官方為什么不提供 Windows版本?

目前Linux版本已經相當穩定,而且用戶量很大,開發windows版本,反而會帶來兼容性等問題。

7、Redis 持久化方式有哪些?以及有什么區別?

Redis 提供兩種持久化機制 RDB 和 AOF 機制

RDB

RDB(Redis DataBase)持久化是把當前進程數據生成快照保存到硬盤的過程。所謂內存快照,就是指內存中的數據在某一個時刻的狀態記錄。

優點:

  • 只有一個文件 dump.rdb,方便持久化。
  • 容災性好,一個文件可以保存到安全的磁盤。
  • 相對于數據集大時,比AOF的啟動效率更高。

缺點:

數據安全性低。RDB是間隔一段時間進行持久化,如果持久化之間Redis發生故障,會發生數據丟失。所以這種方式更適合數據要求不嚴謹的時候。

AOF

AOF(append only file)持久化:以獨立日志的方式記錄每次寫命令,重啟時再重新執行AOF文件中的命令達到恢復數據的目的。AOF的主要作用是解決了數據持久化的實時性,目前已經是Redis持久化的主流方式。

缺點:

  • AOF 文件比 RDB 文件大,且恢復速度慢。
  • 數據集大的時候,比 RDB 啟動效率低。

8、什么是Redis事務?原理是什么?

Redis 中的事務是一組命令的集合,將一組需要一起執行的命令放到multi和exec兩個命令之間。multi 命令代表事務開始,exec命令代表事務結束。它可以保證一次執行多個命令,每個事務是一個單獨的隔離操作,事務中的所有命令都會序列化、按順序地執行。

但是要注意Redis的事務功能很弱。在事務回滾機制上,Redis只能對基本的語法錯誤進行判斷。

如下,當語法命令錯誤時,會造成整個事務無法執行,事務內的操作都沒有執行:

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如下,當命令錯誤時,雖然有異常提示,但是事務執行成功。

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9、如何在100個億URL中快速判斷某URL是否存在?

傳統數據結構HashMap

可以將值映射到 HashMap 的 Key,然后可以在 O(1) 的時間復雜度內返回結果,效率極高。

但是 HashMap 的實現也有缺點,例如存儲容量占比高,考慮到負載因子的存在,通常空間是不能被用滿的,舉個例子如果一個1000萬個int類型,會占據HashMap多少空間呢?1.2個G。實際上,1000萬個int型,只需要40M左右空間,占比3%,1000萬個Integer,需要161M左右空間,占比13.3%。可見一旦值很多例如上億的時候,那HashMap 占據的內存大小就變得很可觀了。

如果整個網頁黑名單系統包含100億個網頁URL,在數據庫查找是很費時的,并且如果每個URL空間為64B,那么需要內存為640GB,一般的服務器很難達到這個需求。

布隆過濾器

1970 年布隆提出了一種布隆過濾器的算法,用來判斷一個元素是否在一個集合中。這種算法由一個二進制數組和一個 Hash 算法組成。

相比于傳統的 List、Set、Map 等數據結構,它更高效、占用空間更少,但是缺點是其返回的結果是概率性的,而不是確切的。

布隆過濾器廣泛應用于網頁黑名單系統、垃圾郵件過濾系統、爬蟲網址判重系統等,Google 著名的分布式數據庫 Bigtable 使用了布隆過濾器來查找不存在的行或列,以減少磁盤查找的IO次數,Google Chrome瀏覽器使用了布隆過濾器加速安全瀏覽服務。

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布隆過濾器的誤判問題

  • 通過hash計算在數組上,因為hash沖突實際上可能不在,如下圖中的D。
  • 通過hash計算在數組上,因為數組中已存在,不能確定在不在,如下圖中的C。
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優化方案

  • 增大數組(預估適合值)
  • 增加hash函數,通過兩次Hash算法,都為1時確定為存在。
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10、Redis的數據結構組織?

為了實現從鍵到值的快速訪問,Redis 使用了一個全局哈希表來保存所有鍵值對。一個哈希表,其實就是一個數組,數組的每個元素稱為一個哈希桶。所以,我們常說,一個哈希表是由多個哈希桶組成的,每個哈希桶中保存了鍵值對數據。

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哈希表的最大好處很明顯,就是讓我們可以用 O(1) 的時間復雜度來快速查找到鍵值對。但是當往 Redis 中寫入大量數據后,哈希表的沖突問題和 rehash 可能帶來的操作阻塞,這里的哈希沖突,兩個 key 的哈希值和哈希桶計算對應關系時,正好落在了同一個哈希桶中。

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Redis 解決哈希沖突的方式,就是鏈式哈希。鏈式哈希也很容易理解,就是指同一個哈希桶中的多個元素用一個鏈表來保存,它們之間依次用指針連接。

11、漸進式rehash是什么?

Redis 默認使用了兩個全局哈希表:哈希表 1 和哈希表 2。一開始,當你剛插入數據時,默認使用哈希表 1,此時的哈希表 2 并沒有被分配空間。隨著數據逐步增多,Redis 開始執行 rehash。

  • 給哈希表 2 分配更大的空間,例如是當前哈希表 1 大小的兩倍
  • 把哈希表 1 中的數據重新映射并拷貝到哈希表 2 中
  • 釋放哈希表 1 的空間

在上面的第二步涉及大量的數據拷貝,如果一次性把哈希表 1 中的數據都遷移完,會造成 Redis 線程阻塞。在Redis 開始執行 rehash,Redis仍然正常處理客戶端請求,但是要加入一個額外的處理:

  • 處理第1個請求時,把哈希表 1中的第1個索引位置上的所有 entries 拷貝到哈希表 2 中
  • 處理第2個請求時,把哈希表 1中的第2個索引位置上的所有 entries 拷貝到哈希表 2 中

如此循環,直到把所有的索引位置的數據都拷貝到哈希表 2 中。這樣就巧妙地把一次性大量拷貝的開銷,分攤到了多次處理請求的過程中,避免了耗時操作,保證了數據的快速訪問。

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審核編輯 :李倩


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原文標題:Redis 最全面試題(2023最新版)

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