【Redis】经典面试题总结-史上最全面试题思维导图总结（2022最新版）

写在前面

📌Xmind文件获取：GitHub 持续更新中，别忘了 star 喔~

「Java学习+面试指南」思维导图，计算机自学指南，包括Java基础、JVM、数据库、mysql、redis、计算机网络、算法、数据结构、操作系统等，后台技术栈/架构师之路/全栈开发社区，阿里，腾讯，百度，美团，头条等春招/秋招/校招/面试

思维导图（png格式可下载放大）

Redis

优缺点

优点

• 读写性能优异
• 支持数据持久化
• 支持事务，所有操作都是原子性的，支持对几个操作合并后的原子性执行。
• 数据结构丰富
• 主从复制,进行读写分离

缺点

• 较小数据量的高性能操作和运算

• 不具备自动容错和恢复功能

  • 需要等待机器重启或者手动切换前端的IP才能恢复

• 主机宕机，宕机前有部分数据未能及时同步到从机

  • 降低了系统的可用性
• 较难支持在线扩容

不用 map/guava

• 本地缓存

  • 生命周期随着 jvm 的销毁而结束
  • 每个实例都需要各自保存一份缓存，缓存不具有一致性

快的原因

• 完全基于内存

  • 查找和操作的时间复杂度都是O(1)
• 数据结构简单

• 单线程

  • 避免了不必要的上下文切换和竞争条件，也不存在多进程或者多线程导致的切换而消耗 CPU，不用去考虑各种锁的问题，不存在加锁释放锁操作，没有因为可能出现死锁而导致的性能消耗
• 多路 I/O 复用模型，非阻塞 IO

memcached

• (1) memcached所有的值均是简单的字符串，redis作为其替代者，支持更为丰富的数据类型
• (2) redis的速度比memcached快很多
• (3) redis可以持久化其数据
• 都支持分布式

基础

数据类型

• STRING
• LIST
• SET
• HASH

• ZSET

  • jumplist

    • 多层链表+二分法

应用场景

• 计数器
• 缓存

• 会话缓存

  • 统一存储多台应用服务器的会话信息

• 查找表

  • DNS 记录

• 消息队列(发布/订阅功能)

  • List 是一个双向链表，可以通过 lpush 和 rpop 写入和读取消息

• 分布式锁

  • SETNX

    • 随机value，比较相同才删除解锁

持久化

• RDB（默认）快照

  • dump.rdb
  • fork 子进程来完成写操作，让主进程继续处理命令，所以是 IO 最大化
  • 比 AOF 的启动效率更高

• AOF

  • 将Redis执行的每次写命令记录到单独的日志文件中
  • 会优先选择AOF恢复
  • 每进行一次 命令操作就记录到 aof 文件中一次
• AOF 文件比 RDB 文件大，且恢复速度慢
• rdb 启动效率低
• AOF文件比RDB更新频率高，优先使用AOF还原数据

过期键的删除策略

• 用于处理过期的缓存数据

• 定时过期

  • 占用大量的CPU资源

• 惰性过期 用

  • 当访问一个key

• 定期过期 用

  • 扫描一定数量的数据库的expires字典中一定数量的key
• 过期时间和永久有效 EXPIRE和PERSIST

内存淘汰策略

• allkeys-lru
• 用于处理内存不足时的需要申请额外空间的数据

线程模型

• 文件事件处理器

  • 多个套接字、IO多路复用程序、文件事件分派器(单线程)、事件处理器
  • 使用 I/O 多路复用（multiplexing）程序来同时监听多个套接字
    根据套接字目前执行的任务来为套接字关联不同的事件处理器

事务

• 要么全部被执行，要么全部都不执行

• MULTI、EXEC、DISCARD、WATCH等一组命令的集合,一个事务中所有命令都会被序列化

  • WATCH

    • 为 Redis 事务提供 check-and-set （CAS）行为。 可以监控一个或多个键，一旦其中有一个键被修改（或删除），之后的事务就不会执行，监控一直持续到EXEC命令。

  • DISCARD

    • 客户端可以清空事务队列，并放弃执行事务

• 三个阶段

  • 事务开始 MULTI

    • 命令不会立即被执行，而是被放到一个队列中
  • 命令入队

  • 事务执行 EXEC

    • 执行所有事务块内的命令

• 不支持回滚

  • 在事务失败时不进行回滚，而是继续执行余下的命令

• 隔离性

  • 单进程程序，并且它保证在执行事务时，不会对事务进行中断

• 不支持原子性

  • 不保证原子性，且没有回滚

异步队列

• 使用list类型保存数据信息，rpush生产消息，lpop消费消息，当lpop没有消息时，可以sleep一段时间，然后再检查有没有信息，
  如果不想sleep的话，可以使用blpop, 在没有信息的时候，会一直阻塞，直到信息的到来。
• redis可以通过pub/sub主题订阅模式实现一个生产者，多个消费者，当然也存在一定的缺点，当消费者下线时，生产的消息会丢失。

集群方案

哨兵模式

• 集群监控：负责监控 redis master 和 slave
• 消息通知：如果某个 redis 实例有故障，通知给管理员。

• 故障转移：如果 master node 挂掉了，会自动转移到 slave node 上。

  • 判断一个 master node 是否宕机了，大部分的哨兵都同意，分布式选举
• 配置中心：故障转移，通知 client 客户端新的 master 地址。

• 核心知识

  • 至少需要 3 个实例
  • 哨兵 + redis 主从的部署架构，是不保证数据零丢失的，只能保证高可用性。

Cluster 方案(服务端路由查询)

• 分布式寻址算法

  • hash 算法（大量缓存重建）
  • 一致性 hash 算法（自动缓存迁移）+ 虚拟节点（自动负载均衡解决数据倾斜问题）
  • redis cluster 的 hash slot哈希槽 算法 16384

• 主从架构

  • 每份数据分片会存储在多个互为主从的多节点
  • 多个节点间的数据不保持一致性
  • 先写主节点，再同步到从节点(支持配置为阻塞同步)
• 当客户端操作的key没有分配在该节点上时，redis会返回转向指令，指向正确的节点
• 扩容时时需要需要把旧节点的数据迁移一部分到新节点

• 优点

  • 支持动态扩容
  • 具备Sentinel的监控和自动Failover(故障转移)能力
  • 免去了proxy代理的损耗
  • 连接集群中任何一个可用节点

基于客户端分配

• 采用哈希算法将Redis数据的key进行散列，通过hash函数，特定的key会映射到特定的Redis节点上
• Redis实例彼此独立，相互无关联
• 不支持动态增删节点，每个客户端都需要更新调整
• 连接不能共享，当应用规模增大时，资源浪费制约优化

基于代理服务器分片

• 请求到一个代理组件，代理解析客户端的数据，并将请求转发至正确的节点
• 切换成本低
• 代理层多了一次转发，性能有所损耗

主从架构

• 一主多从，主负责写，并且将数据复制到其它的 slave 节点，从节点负责读。所有的读请求全部走从节点。支撑读高并发。
• redis replication -> 主从架构 -> 读写分离 -> 水平扩容支撑读高并发

• 核心机制

  • 异步方式复制

    • 发送一个 PSYNC
    • full resynchronization 全量复制，master 会启动一个后台线程，开始生成一份 RDB 快照文件
    • 将这个 RDB 发送给 slave，slave 会先写入本地磁盘，然后再从本地磁盘加载到内存中
    • master 会将内存中缓存的写命令发送到 slave

• 必须开启 master node 的持久化

  • 在 master 宕机重启的时候数据是空的，然后可能一经过复制， slave node 的数据也丢了

  • 从备份中挑选一份 rdb 去恢复 master，这样才能确保启动的时候，是有数据的

    • lave node 可以自动接管 master node，但也可能 sentinel 还没检测到 master failure，master node 就自动重启了，还是可能导致上面所有的 slave node 数据被清空

分区缺点

• 涉及多个key的操作通常不会被支持

  • 不能对两个集合求交集

    • 被存储到不同的Redis实例
• 同时操作多个key,则不能使用Redis事务.

• 数据处理会非常复杂

  • 必须从不同的Redis实例和主机同时收集RDB / AOF文件

• 动态扩容或缩容可能非常复

  • Redis集群在运行时增加或者删除Redis节点，能做到最大程度对用户透明地数据再平衡，但其他一些客户端分区或者代理分区方法则不支持这种特性。

分布式锁

• SETNX SET if Not eXists

  • 当且仅当 key 不存在，将 key 的值设为 value。给定的 key 已经存在，则 SETNX 不做任何动作

解决 Redis 的并发竞争 Key

• 分布式锁（zookeeper 和 redis 都可以实现分布式锁）

  • 每个客户端对某个方法加锁时，在zookeeper上的与该方法对应的指定节点的目录下，生成一个唯一的瞬时有序节点。
    判断是否获取锁的方式很简单，只需要判断有序节点中序号最小的一个。 当释放锁的时候，只需将这个瞬时节点删除即可。
    同时，其可以避免服务宕机导致的锁无法释放，而产生的死锁问题。完成业务流程后，删除对应的子节点释放锁。

  • Redlock

    • 互斥访问，即永远只有一个 client 能拿到锁
    • 最终 client 都可能拿到锁，不会出现死锁的情况
    • 只要大部分 Redis 节点存活就可以正常提供服务

缓存异常

缓存雪崩

• 缓存同一时间大面积的失效

  • 过期时间设置随机，防止同一时间大量数据过期现象发生
  • 加锁排队

缓存穿透

• 缓存和数据库中都没有的数据

  • 接口层增加校验，id<=0的直接拦截
  • 将key-value对写为key-null，缓存有效时间可以设置短点，如30秒。防止反复用同一个id暴力攻击

  • 布隆过滤器判断在不在数据库

    • 哈希表，多次hash

      • 有一定的误识别率和删除困难
    • 所有的Hash函数告诉我们该元素在集合中，才能确定在集合中

缓存击穿

• 热点数据缓存时间到期

  • 设置热点数据永远不过期
  • 加互斥锁

缓存预热

• 将相关的缓存数据直接加载到缓存系统

缓存降级

• 根据一些关键数据进行自动降级，也可以配置开关实现人工降级

  • Redis出现问题，不去数据库查询，而是直接返回默认值给用户

数据库双写时的数据一致性

• 先更新数据库，然后再删除缓存

  • 一致性：缓存删除失败，数据不一致

    • 高并发下：A去查突然失效查脏数据，B更新数据库，B写入缓存，A写入缓存->数据不一致

• 先删除缓存，然后再更新数据库

  • 高并发下：A删除，B读数据库脏数据，B写入，A更新数据库->数据不一致

• 不更新缓存

  • 有大量冷数据占用资源，用到缓存才去算缓存