Redis 的底层数据结构

下面主要介绍 SDS 和 跳跃表

1、Redis 字符串（String）

我们可以使用 object encoding key 可以显示类型的底层数据结构

图1

从 图1 中我们可以看出， String 数据类型的数据结构有 embstr 以及 int。虽然 Redis 是用 C 语言写的，但是不是用 C 语言的字符串（即以空字符’\0’结尾的字符数组），而是自定义的简单动态字符串（simple dynamic string,SDS）

用 SDS 保存字符串 “Redis” 的数据结构：

SDS的数据结构

面试中曾经被问到：为什么不用 C 语言的字符串，而是 SDS???

① 由于 SDS 保存了 len 信息，在时间复杂度上优于原生字符串；

② SDS 被称作动态字符串，这和 Java 的 ArrayList 类似，扩容机制如下：

当字符串 len 小于 1M 时，扩容都是加倍现有的空间，如果超过 1M，扩容时一次只会多扩 1M 的空间。(字符串最大长度为 512M，另外有 1 个字节用来保存空字符串 '\0')，有效避免了 C 语言缓冲区溢出的现象，同时减少了内存分配的次数。

③ 二进制安全。因为 C 字符串以空字符作为字符串结束的标识，而对于一些二进制文件（如图片等），内容可能包括空字符串，因此 C 字符串无法正确存取。而 SDS 的 API 都是以处理二进制的方式来处理 buf 里面的元素，并且 SDS 不是以空字符串来判断是否结束，而是以 len 属性表示的长度来判断字符串是否结束。

2、跳跃表

Redis 在实现有序集合的时候用到跳跃表，由 redis.h/zskiplistNode 和 redis.h/zskiplist 两个结构定义，其中 zskiplistNode 结构用于表示跳跃表节点，而 zskiplist 结构则用于保存跳跃表节点的相关信息，比如节点的数量，以及指向表头节点和表尾节点的指针等等。

Redis 的 qps

qps （Queries Per Second ），每秒能处理查询数目。

官方提供的数据是可以达到 100000 + 的 QPS（每秒内查询次数）。

关于你生产环境的 qps，评论下你倒是留言说啊！

如何测试 Redis 的 qps？

Redis 做压测可以用自带的 redis-benchmark

Redis 性能压测工具的具体参数：

压测 get 命令，并发 50，连接数 1 w（单台 Redis）

1、测试 get 命令

redis-benchmark -h 127.0.0.1 -p 6086 -c 50 -n 10000 -t get

2、测试 set 命令

redis-benchmark -h 127.0.0.1 -p 6086 -c 50 -n 10000 -t set

3、查看所有命令

redis-benchmark -h 127.0.0.1 -p 6379 -c 50 -n 10000 -q

Redis 集群

集群：通过增加服务器的数量，提供相同的服务，从而让服务器达到一个稳定、高效的状态。

说着怎么像增加了一个备胎。

1、Redis 主从复制

主从复制是主机数据更新后根据配置和策略，自动同步到备机的 master/slaver 机制，master 以写为主，slaver 只可读。用于可穿透业务场景，如后端有 DB 存储，脱机影响不大的应用。

① 主从复制原理

分 2 个阶段

服务器初始化阶段：

slaver 连接主服务器，发送 sync 命令；

master 连接收到 sync 命名后，执行 bgsave 命令生成 rdb 文件并使用缓冲区记录伺候执行的所有写命令；

master bgsave 完成后，向所有从服务器发送快照文件，并在发送期间继续记录被执行的写命令；

slaver 收到 快照，丢弃旧数据，载入收到的快照；

master 快照发送完毕开始向从服务器发送缓冲区的写命令；

从服务器完成快照的载入，开始接收命令请求，并执行来自 master 缓冲区的写命令

服务器初始化完成阶段：

master 每执行一个写命令就会向从服务器发送相同的写命令，slaver 接收并执行收到的写命令

② 主从复制的优缺点

优点：进行读写分离；缺点：不具备自动容错和恢复功能，需要手动切换。

2、sentinel （哨兵）

上面主从复制，如果 master 挂了，后果严重。

Redis 2.8 中提供了哨兵工具来实现自动化的系统监控和故障恢复功能。用于高可用需求场景，可用于高可用 Cache, 存储等场景。 内存 / QPS 受限于单机。

① 哨兵的作用：

a.监控（Monitoring）

不断地检查 redis 的主服务器和从服务器是否运作正常

b.提醒（Notification）

如果发现某个 redis 服务器运行出现状况，可以通过 API 向管理员或者其他应用程序发送通知

c.自动故障迁移（Automatic failover）

能够进行自动切换。当一个主服务器不能正常工作时，会将 失效 master 的其中一个 slaver 升级为 新的 master，并让 失效 master 的其他 slaver 改为复制新的 master； 当客户端试图连接失效的 master 时， 集群也会向客户端返回 新 master 的地址， 使得集群可以使用 新 master 代替失效服务器。

② sentinel （哨兵）的优缺点

优点：具备主从复制的优点，具备容错和恢复功能。

缺点：每台 redis 服务器都存储相同的数据，浪费内存。

3、Redis Cluster

Redis 从 3.0 开始支持 Cluster 集群功能，实现的 redis 的分布式存储，也就是说每台 redis 节点上存储不同的内容。用于高可用需求场景，可用于大数据量高可用 Cache / 存储等场景。 内存 / QPS 不受限于单机，可受益于分布式集群高扩展性。

Redis Cluster 原理

• 所有的 redis 节点彼此互联 (PING-PONG 机制)，节点的 fail 是通过集群中【超过半数】的节点检测失效时才生效。
• 客户端与 redis 节点【直连】，不需要中间 proxy 层。客户端不需要连接集群所有节点，连接集群中任何一个可用节点即可。
• redis-cluster 把所有的物理节点映射到 [0-16383] slot 上（不一定是平均分配），cluster 负责维护 node<->slot<->value。
• Redis 集群预分好 16384 个桶，当需要在 Redis 集群中放置一个 key-value 时，根据 CRC16 (key) mod 16384 的值，决定将一个 key 放到哪个桶中。

Redis 中的 big key 和 hot key 问题

1、big key

在 Redis 字符串类型的 Value 最多可以容纳的数据长度是 512M。阿里云 Redis 规范中，我们看一看怎么说的。

在 Redis Cluster 集群中，如果某台机器因 big key 造成内存不足，会拖累整个集群的使用。

比如：

微博盖楼评论，群聊天记录等

如何解决 big key 问题：

比如对一个大的 json 字符串可以使用 Mset 命令用于同时设置一个或多个 key-value 对。

redis 127.0.0.1:6379> MSET key1 value1 key2 value2 .. keyN valueN

将这个 key 的内容打散到各个实例中，减小 big key 对数据量倾斜造成的影响。

2、hot key

热点 key 问题容易导致缓存击穿。如一些热点新闻，商品秒杀场景中。

解决思路：

① 使用客户端本地缓存，需要考虑 2 个问题：客户端的本地缓存是否会过大，影响本身缓存开销；如何保证本地缓存和 redis 集群数据的有效期的一致性

② 将 hot key 分散处理

根据集群机器个数，将 hot key 加上前缀或者后缀，使其分散访问。

Redis 缓存的高时效性问题

如果项目需求对缓存有一定时效性要求，一般处理逻辑是在数据变化，缓存也跟着变化。

无论是先删除缓存，还是后删除缓存，由于非原子操作，会出现 Redis 和 Mysql 双写不一致的情况。

1、延时双删策略

• 先淘汰缓存
• 再写数据库
• 休眠 1 秒，再次淘汰缓存

2、重试机制

• 更新数据库数据
• 缓存删除失败
• 将需要删除的 key 发送至消息队列
• 自己消费消息，获得需要删除的 key
• 继续重试删除操作，直到成功

Redis 缓存雪崩、缓存穿透和缓存击穿问题

1、缓存雪崩

缓存雪崩是指在设置缓存时采用了相同的过期时间，导致缓存在某一时刻同时失效，导致所有的查询都落在数据库上，造成了缓存雪崩。

解决方案：

① 不同的 key 的失效时间加上随机值，避免同一时间失效

② 设置本地缓存+限流

2、缓存穿透

缓存穿透是指查询一个一定不存在的数据，而用户不断发起请求。

解决方案：

① 接口层增加校验

比如用户鉴权校验，参数做校验，不合法的参数直接代码 Return，比如：id 做基础校验，id <=0 的直接拦截等。

② 当我们从数据库找不到的时候，我们也将这个空对象设置到缓存里边去。下次再请求的时候，就可以从缓存里边获取了。

③ 运维对单个 IP 每秒访问次数超出阈值的 IP 都拉入黑名单

④ 【布隆过滤器】，利用高效的数据结构和算法快速判断出你这个 Key 是否在数据库中存在，不存在你 return 就好了，存在你就去查了 DB 刷新 KV 再 return

3、缓存击穿

热点 key 问题

解决方案：

① 设置永不过期

② 互斥锁

只让一个线程构建缓存，其他线程等待构建缓存的线程执行完，重新从缓存获取数据。

③ 热点资源隔离