应用篇

1、Redis分布式锁

超时问题

如果在加锁和释放锁之间的逻辑执行的太长，以至于超出了锁的超时限制，就会出现问题。因为这时候锁过期了，第二个线程重新持有了这把锁，但是紧接着第一个线程执行完了业务逻辑，就把锁给释放了，第三个线程就会在第二个线程逻辑执行完之间拿到了锁。

为了避免这个问题，Redis 分布式锁不要用于较长时间的任务。

有一个稍微安全一点的方案是为 set 指令的 value 参数设置为一个随机数，释放锁时先匹配随机数是否一致，然后再删除 key，这是为了确保当前线程占有的锁不会被其它线程释放，除非这个锁是过期了被服务器自动释放的。

加锁失败怎么办？

客户端在处理请求时加锁没加成功怎么办。一般有 3 种策略来处理加锁失败：

1. 直接抛出异常，通知用户稍后重试；
2. sleep 一会再重试；
3. 将请求转移至延时队列，过一会再试；

2、Redis延时队列

队列空了怎么办？

用blpop/brpop替代前面的lpop/rpop， 阻塞读在队列没有数据的时候，会立即进入休眠状态，一旦数据到来，则立刻醒过来。消息的延迟几乎为零。

如何实现延时队列？

延时队列可以通过 Redis 的 zset(有序列表) 来实现。我们将消息序列化成一个字符串作为 zset 的value，这个消息的到期处理时间作为score，然后用多个线程轮询 zset 获取到期的任务进行处理，多个线程是为了保障可用性，万一挂了一个线程还有其它线程可以继续处理。因为有多个线程，所以需要考虑并发争抢任务，确保任务不能被多次执行。

3、 位图

使用位图操作 getbit/setbit 等将 byte 数组看成「位数组」来处理。

统计和查找

Redis 提供了位图统计指令 bitcount 和位图查找指令 bitpos，bitcount 用来统计指定位置范围内 1 的个数，bitpos 用来查找指定范围内出现的第一个 0 或 1。

比如我们可以通过 bitcount 统计用户一共签到了多少天，通过 bitpos 指令查找用户从哪一天开始第一次签到。如果指定了范围参数[start, end]，就可以统计在某个时间范围内用户签到了多少天，用户自某天以后的哪天开始签到。

4、 HyperLogLog

HyperLogLog 提供不精确的去重计数方案。

HyperLogLog 提供了两个指令 pfadd 和 pfcount，一个是增加计数，一个是获取计数。

5、 布隆过滤器

布隆过滤器的作用是去重。

布隆过滤器可以理解为一个不怎么精确的 set 结构，当你使用它的 contains 方法判断某个对象是否存在时，它可能会误判。

布隆过滤器有二个基本指令，bf.add 添加元素，bf.exists 查询元素是否存在

6、Scan

如何从海量的 key 中找出满足特定前缀的 key 列表来？

Redis 提供了一个简单暴力的指令 keys 用来列出所有满足特定正则字符串规则的 key。但是有很明显的两个缺点。

1. 没有 offset、limit 参数，一次性吐出所有满足条件的 key
2. keys 算法是遍历算法，复杂度是 O(n)，如果实例中有千万级以上的 key，这个指令就会导致 Redis 服务卡顿。

Redis 为了解决这个问题，它在 2.8 版本中加入了大海捞针的指令——scan

scan 参数提供了三个参数，第一个是 cursor 整数值，第二个是 key 的正则模式，第三个是遍历的 limit hint。第一次遍历时，cursor 值为 0，然后将返回结果中第一个整数值作为下一次遍历的 cursor。一直遍历到返回的 cursor 值为 0 时结束。

scan 遍历顺序

scan 的遍历顺序非常特别。它不是从第一维数组的第 0 位一直遍历到末尾，而是采用了高位进位加法来遍历。之所以使用这样特殊的方式进行遍历，是考虑到字典的扩容和缩容时避免槽位的遍历重复和遗漏。

大 key 扫描

如果一个 key 太大，那么当它需要扩容时，会一次性申请更大的一块内存，这也会导致卡顿。如果这个大 key 被删除，内存会一次性回收，卡顿现象会再一次产生。要尽量避免大 key 的产生。

如何定位大 key？

为了避免对线上 Redis 带来卡顿，这就要用到 scan 指令，对于扫描出来的每一个 key，使用 type 指令获得 key 的类型，然后使用相应数据结构的 size 或者 len 方法来得到它的大小，对于每一种类型，保留大小的前 N 名作为扫描结果展示出来。

上面这样的过程需要编写脚本，比较繁琐，不过 Redis 官方已经在 redis-cli 指令中提供了这样的扫描功能，我们可以直接拿来即用。

redis-cli -h 127.0.0.1 -p 7001 –bigkeys

如果你当心这个指令会大幅抬升 Redis 的 ops 导致线上报警，还可以增加一个休眠参数。

redis-cli -h 127.0.0.1 -p 7001 –bigkeys -i 0.1

上面这个指令每隔 100 条 scan 指令就会休眠 0.1s，ops 就不会剧烈抬升，但是扫描的时间会变长。

7、 GeoHash

GeoHash 算法将二维的经纬度数据映射到一维的整数，这样所有的元素都将在挂载到一条线上，距离靠近的二维坐标映射到一维后的点之间距离也会很接近。当我们想要计算「附近的人时」，首先将目标位置映射到这条线上，然后在这个一维的线上获取附近的点就行了。

8、 漏斗限流

Redis 4.0 提供了一个限流 Redis 模块，它叫 redis-cell。该模块也使用了漏斗算法，并提供了原子的限流指令。

 cl.throttle laoqian:reply 15 30 60 1

上面这个指令的意思是允许「用户」的频率为每 60s 最多 30 次(漏水速率)，漏斗的初始容量为 15，也就是说一开始可以连续回复 15 个帖子，然后才开始受漏水速率的影响。

原理

向布隆过滤器中添加 key 时，会使用多个 hash 函数对 key 进行 hash 算得一个整数索引值然后对位数组长度进行取模运算得到一个位置，每个 hash 函数都会算得一个不同的位置。再把位数组的这几个位置都置为 1 就完成了 add 操作。

向布隆过滤器询问 key 是否存在时，跟 add 一样，也会把 hash 的几个位置都算出来，看看位数组中这几个位置是否都位 1，只要有一个位为 0，那么说明布隆过滤器中这个 key 不存在。

拓展篇

1、过期策略

redis 会将每个设置了过期时间的 key 放入到一个独立的字典中，以后会定时遍历这个字典来删除到期的 key。除了定时遍历之外，它还会使用惰性策略，定时删除是集中处理，惰性删除是零散处理。两种方法结合去删除。

Redis 默认会每秒进行十次过期扫描，过期扫描不会遍历过期字典中所有的 key，而是采用了一种简单的贪心策略。

1. 从过期字典中随机 20 个 key；
2. 删除这 20 个 key 中已经过期的 key；
3. 如果过期的 key 比率超过 1/4，那就重复步骤 1；

Redis 会持续扫描过期字典 (循环多次)，直到过期字典中过期的 key 变得稀疏，才会停止 (循环次数明显下降)。

2、 再谈分布式锁 - Redlock

如果你很在乎高可用性，希望挂了一台 redis 完全不受影响，那就应该考虑 redlock。

redlock 使用「大多数机制」。

加锁时，它会向过半节点发送 set(key, value, nx=True, ex=xxx) 指令，只要过半节点 set 成功，那就认为加锁成功。释放锁时，需要向所有节点发送 del 指令。

这些实例之前相互独立没有主从关系，都是平等的。

不过 Redlock 算法还需要考虑出错重试、时钟漂移等很多细节问题，同时因为 Redlock 需要向多个节点进行读写，意味着相比单实例 Redis 性能会下降一些。

3、 Info 指令

时常会遇到很多问题需要诊断，在诊断之前需要了解 Redis 的运行状态，通过 Info 指令 ，你可以清晰地知道 Redis 内部一系列运行参数。

1. Redis 每秒执行多少次指令？- info stats
2. Redis 连接了多少客户端？- info clients
3. Redis 内存占用多大 ? - info memory
4. 复制积压缓冲区多大？- info replication

复制积压缓冲区大小非常重要，它严重影响到主从复制的效率。当从库因为网络原因临时断开了主库的复制，然后网络恢复了，又重新连上的时候，这段断开的时间内发生在 master 上的修改操作指令都会放在积压缓冲区中，这样从库可以通过积压缓冲区恢复中断的主从同步过程。

通过查看sync_partial_err变量的次数来决定是否需要扩大积压缓冲区，它表示主从半同步复制失败的次数。

4、Stream

Redis5.0 最大的新特性就是多出了一个数据结构 Stream， 它是支持多播的可持久化的消息队列。

Stream真的好像kafka啊。。。

Stream 消息太多怎么办?

在 xadd 的指令提供一个定长长度 maxlen，就可以将老的消息干掉，确保最多不超过指定长度。

消息如果忘记 ACK 会怎样?

Stream 在每个消费者结构中保存了正在处理中的消息 ID 列表 PEL，如果消费者收到了消息处理完了但是没有回复 ack，就会导致 PEL 列表不断增长，如果有很多消费组的话，那么这个 PEL 占用的内存就会放大。

PEL 如何避免消息丢失?

在客户端消费者读取 Stream 消息时，Redis 服务器将消息回复给客户端的过程中，客户端突然断开了连接，消息就丢失了。但是 PEL 里已经保存了发出去的消息 ID。待客户端重新连上之后，可以再次收到 PEL 中的消息 ID 列表。不过此时 xreadgroup 的起始消息 ID 不能为参数>，而必须是任意有效的消息 ID，一般将参数设为 0-0，表示读取所有的 PEL 消息以及自last_delivered_id之后的新消息。

如何实现分区 Partition

Redis 的服务器没有原生支持分区能力，如果想要使用分区，那就需要分配多个 Stream，然后在客户端使用一定的策略来生产消息到不同的 Stream。

集群

1、Cluster

RedisCluster 是 Redis 自己提供的 Redis 集群化方案。 它是去中心化的， 它们之间通过一种特殊的二进制协议相互交互集群信息。

Redis Cluster 将所有数据划分为 16384 的 slots。

槽位定位算法

Cluster 默认会对 key 值使用 crc32 算法进行 hash 得到一个整数值，然后用这个整数值对 16384 进行取模来得到具体槽位。

跳转

当客户端向一个错误的节点发出了指令，该节点会发现指令的 key 所在的槽位并不归自己管理，这时它会向客户端发送一个特殊的跳转指令携带目标操作的节点地址，告诉客户端去连这个节点去获取数据。

迁移

Redis Cluster 提供了工具 redis-trib 可以让运维人员手动调整槽位的分配情况。

Redis 迁移的单位是槽，Redis 一个槽一个槽进行迁移，当一个槽正在迁移时，这个槽就处于中间过渡状态。这个槽在原节点的状态为migrating，在目标节点的状态为importing，表示数据正在从源流向目标。

2、Codis

Codis 使用 Go 语言开发，它是一个代理中间件，它和 Redis 一样也使用 Redis 协议对外提供服务，当客户端向 Codis 发送指令时，Codis 负责将指令转发到后面的 Redis 实例来执行，并将返回结果再转回给客户端。

Codis 将所有的 key 默认划分为 1024 个槽位(slot)，它首先对客户端传过来的 key 进行 crc32 运算计算哈希值，再将 hash 后的整数值对 1024 这个整数进行取模得到一个余数，这个余数就是对应 key 的槽位。

Codis 开始使用 ZooKeeper、 etcd 存储槽位关系。Codis 的集群配置中心使用 zk 来实现，意味着在部署上增加了 zk 运维的代价

Codis 提供了自动均衡功能

3、Sentinel

Redis Sentinel 集群看成是一个 ZooKeeper 集群，它是集群高可用的心脏，它一般是由 3～5 个节点组成

它负责持续监控主从节点的健康，当主节点挂掉时，自动选择一个最优的从节点切换为主节点。

如何解决消息丢失（主从延迟）？

如果主从延迟特别大，那么丢失的数据就可能会特别多。Sentinel 无法保证消息完全不丢失，但是也尽可能保证消息少丢失。它有两个选项可以限制主从延迟过大。

min-slaves-to-write 1
min-slaves-max-lag 10

1、表示主节点必须至少有一个从节点在进行正常复制，否则就停止对外写服务，丧失可用性。
2、 表示如果 10s 没有收到从节点的反馈，就意味着从节点同步不正常，要么网络断开了，要么一直没有给反馈。

原理

1、线程 IO 模型

事件轮询 (多路复用)

2、通信协议

RESP 是 Redis 序列化协议的简写。它是一种直观的文本协议，优势在于实现异常简单，解析性能极好。

Redis 协议将传输的结构数据分为 5 种最小单元类型，单元结束时统一加上回车换行符号\r\n。

1. 单行字符串 以 + 符号开头。
2. 多行字符串 以 $ 符号开头，后跟字符串长度。
3. 整数值 以 : 符号开头，后跟整数的字符串形式。
4. 错误消息 以 - 符号开头。
5. 数组 以 * 号开头，后跟数组的长度。

3、 持久化

Redis 的持久化机制有两种，第一种是快照，第二种是 AOF 日志。快照是一次全量备份，AOF 日志是连续的增量备份。快照是内存数据的二进制序列化形式，在存储上非常紧凑，而 AOF 日志记录的是内存数据修改的指令记录文本。AOF 日志在长期的运行过程中会变的无比庞大，数据库重启时需要加载 AOF 日志进行指令重放，这个时间就会无比漫长。所以需要定期进行 AOF 重写，给 AOF 日志进行瘦身。

Redis 4.0 混合持久化

重启 Redis 时，我们很少使用 rdb 来恢复内存状态，因为会丢失大量数据。我们通常使用 AOF 日志重放，但是重放 AOF 日志性能相对 rdb 来说要慢很多，这样在 Redis 实例很大的情况下，启动需要花费很长的时间。

Redis 4.0 为了解决这个问题，带来了一个新的持久化选项——混合持久化。将 rdb 文件的内容和增量的 AOF 日志文件存在一起。这里的 AOF 日志不再是全量的日志，而是自持久化开始到持久化结束的这段时间发生的增量 AOF 日志，通常这部分 AOF 日志很小。

于是在 Redis 重启的时候，可以先加载 rdb 的内容，然后再重放增量 AOF 日志就可以完全替代之前的 AOF 全量文件重放，重启效率因此大幅得到提升。

4、 管道 (Pipeline)

• pipeline机制可以优化吞吐量，但无法提供原子性/事务保障，而这个可以通过Redis-Multi等命令实现。
  参考这里
• 部分读写操作存在相关依赖，无法使用pipeline实现，可利用Script机制，但需要在可维护性方面做好取舍。

5、事务

Redis 禁止在 multi 和 exec 之间执行 watch 指令，而必须在 multi 之前做好盯住关键变量，否则会出错。

Redis 提供了这种 watch 的机制，它就是一种乐观锁。

Redis 会检查关键变量自 watch 之后，是否被修改了 (包括当前事务所在的客户端)。如果关键变量被人动过了，exec 指令就会返回 null 回复告知客户端事务执行失败，这个时候客户端一般会选择重试。

确切的说，redis这种不算叫事务，因为不能回滚。

6、 PubSub

之前Redis 消息队列的不足之处，那就是它不支持消息的多播机制。不过新版本Stream支持了。

消息多播

消息多播允许生产者生产一次消息，中间件负责将消息复制到多个消息队列，每个消息队列由相应的消费组进行消费。它是分布式系统常用的一种解耦方式，用于将多个消费组的逻辑进行拆分。支持了消息多播，多个消费组的逻辑就可以放到不同的子系统中。

PubSub的缺点

PubSub 的消息是不会持久化的， 正是因为 PubSub 有这些缺点，它几乎找不到合适的应用场景。

7、 小对象压缩

Redis 如果使用 32bit 进行编译，内部所有数据结构所使用的指针空间占用会少一半，如果你对 Redis 使用内存不超过 4G，可以考虑使用 32bit 进行编译，可以节约大量内存。

Redis 的 ziplist 是一个紧凑的字节数组结构

8、 主从同步

最终一致

Redis 的主从数据是异步同步的，所以分布式的 Redis 系统并不满足「一致性」要求。当客户端在 Redis 的主节点修改了数据后，立即返回，即使在主从网络断开的情况下，主节点依旧可以正常对外提供修改服务，所以 Redis 满足「可用性」。

Redis 保证「最终一致性」，从节点会努力追赶主节点，最终从节点的状态会和主节点的状态将保持一致。如果网络断开了，主从节点的数据将会出现大量不一致，一旦网络恢复，从节点会采用多种策略努力追赶上落后的数据，继续尽力保持和主节点一致。

源码

1、 SDS（ Simple Dynamic String）