Java开发之Redis核心内容【面试篇 完结版】

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前言

本文主要记录redis的缓存穿透、缓存击穿、缓存雪崩、双写一致性、持久化、数据过期策略、数据淘汰策略、分布式锁等问题的分析与面试回答示例。

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提示：以下是本篇文章正文内容，下面案例可供参考

一、redis使用场景

1. 知识分布

2. 缓存穿透

① 问题引入

② 举例说明

一个get请求路径：api/news/getById/1
从数据库中查询到了数据并加载到redis缓存，直接查询redis中的数据，查询到了就返回结果，否则查数据库，具体流程如下：

缓存穿透：查询一个不存在的数据，mysql查询不到数据也不会直接写入缓存，就会导致每次请求都查数据库，给数据库增加压力。

③ 解决方案

方案一：缓存空数据，查询返回的数据为空，仍把这个空结果进行缓存
优点：简单
缺点：消耗内存，可能数据库数据已经修改，但是redis中还是之前的空数据

方案二：布隆过滤器，拦截不存在的数据
优点：内存占用较少，没有多余的key
缺点：实现复杂，存在误判

补充：
在添加数据到数据库时，也需要添加到redis、布隆过滤器中
布隆过滤器依赖bitmap（位图）：一个以（bit）位为单位的数组，只能存储二进制（0、1）

布隆过滤器的作用：用于检索一个元素是否在一个集合中。
比如添加一个id=1的数据，经过哈希函数计算，将0改为1，表示存在数据。

当id=1和id=2都存在，但是id=3不存在，经过hash函数计算得到的结果是存在，这就是误判。
误判率：数组越小误判率就越大，数组越大误判率就越小，但是同时带了了更多的内存消耗。

布隆过滤器的实现中我们可以控制误判率（5%之内）

④ 实战面试

3. 缓存击穿

① 问题引入

② 举例说明

缓存击穿： 当某一个热门的key设置了过期时间，当key过期的时候，恰好这个时间点对这个key有大量的并发请求过来，redis缓存重建的过程比较慢，这些并发请求可能会瞬间把数据库压垮。

③ 解决方案

**方案一：**互斥锁
优点：数据强一致
缺点：性能查
补充：当线程1在缓存的过程中，其他线程只能等待；当线程1把数据缓存成功，其他的线程就可以获取到数据

方案二： 逻辑过期
优点：高可用，保证查询效率
缺点：不能保证数据绝对一致
补充：当线程2没有将最新数据加入到缓存之前，所有的线程获取的都是过期数据，当线程2将数据更新完成后，所有的线程获取到最新数据。

④ 实战面试

4. 缓存雪崩

① 问题引入

② 举例说明

缓存雪崩： 是指在同一时段大量的缓存key同时失效或者Redis服务宕机导致大量请求到达数据库，带来巨大压力。

③ 解决方案

方案一：
情况：大量的缓存key同时失效
方法：给不同的key设置不同的过期时间，在原有的时间基础上再加一个随机时间值；
方案二：
情况：大量的缓存key同时失效
方法：给业务添加多级缓存；
方案三：
情况：Redis服务宕机
方法：利用Redis集群提高服务的可用性，比如哨兵模式、集群模式。
方案四：
情况：降级作为系统保底策略，适用于穿透、击穿、雪崩
方法：给缓存业务添加降级限流策略，比如nginx或者springcloud gateway

④ 实战面试

5. 缓存-双写一致性

① 问题引入

② 举例说明

双写一致性： 当修改了数据库的数据也要同时更新缓存的数据，缓存和数据库的数据要保持一致。
读操作：缓存命中，直接返回;缓存未命中查询数据库，写入缓存，设定超时时间。

写操作：延迟双删

1. 先删除缓存还是先删除数据库？
   情况一：先删除缓存，再操作数据库，可能会出现脏数据
   
   情况二：先操作数据库，再删除缓存，也可能会出现脏数据
   
2. 为什么要删除两次缓存？
   降低脏数据的出现
3. 为什么要延时删除？
   数据库是主从分离的，延时把同步数据，也可能出现脏数据

③ 解决方案

方案一： 分布式锁
优点：保证强一致性
缺点：性能低

方案二： 共享锁与排他锁（优化版）
优点：保证数据强一致性
共享锁：读锁readLock，加锁之后，其他线程可以共享读操作

排他锁：独占锁writeLock也叫，加锁之后，阻塞其他线程读写操作

方案三： MQ异步通知
优点：保证数据的一致性

方案四： Canal异步通知

④ 实战面试

分为两种情况进行回答，主要是业务需要是属于一致性要求高、延迟一致性

情况一：强一致性

情况二：延迟一致

6. 缓存-持久化

① 问题引入

在Redis中提供了两种数据持久化的方式：1、RDB 2、AOF

② Redis持久化-RDB（数据备份文件）

RDB全称Redis Database Backup file (Redis数据备份文件)，也被叫做Redis数据快照。简单来说就是把内存中的所有数据都记录到磁盘中。当Redis实例故障重启后，从磁盘读取快照文件，恢复数据。
主动备份 （进入redis客户端）

自动备份（触发条件）
Redis内部有触发RDB的机制，可以在redis.conf文件中找到，格式如下:

RDB的执行原理： bgsave开始时会fork主进程得到子进程，子进程共享主进程的内存数据。完成fork后读取内存数据并写入RDB 文件。
fork采用的是copy-on-write技术：
· 当主进程执行读操作时，访问共享内存;
· 当主进程执行写操作时，则会拷贝一份数据，执行写操作。

③ Redis持久化-AOF（追加文件）

AOF全称为Append Only File(追加文件)。Redis处理的每一个写命令都会记录在AOF文件，可以看做是命令日志文件。

AOF默认是关闭的，需要修改redis.conf配置文件来开启AOF，格式如下：
AOF的命令记录的频率也可以通过redis.conf文件来配：

因为是记录命令，AOF文件会比RDB文件大的多。而且AOF会记录对同一个key的多次写操作，但只有最后一次与操作才有意义。通过执行bgrewriteaof命令，可以让AOF文件执行重写功能，用最少的命令达到相同效果。
例如：同时对num进行两次操作，重写文件

自动触发重写：Redis也会在触发阈值时自动去重写AOF文件。阈值也可以在redis.conf中配置:

④ RDB与AOF对比

RDB和AOF各有自己的优缺点，如果对数据安全性要求较高，在实际开发中往往会结合两者来使用。

⑤ 实战面试

7. 缓存-数据过期策略

① 问题引入

Redis对数据设置数据的有效时间，数据过期以后，就需要将数据从内存中删除掉。可以按照不同的规则进行删除，这种删除规则就被称之为数据的删除策略(数据过期策略)。
有两种删除方式：惰性删除、定期删除
Redis的过期删除策略：惰性删除+定期删除两种策略进行配合使用

② Redis数据删除策略-惰性删除

惰性删除：设置该key过期时间后，我们不去管它，当需要该key时， 我们在检查其是否过期,如果过期，我们就删掉它，反之返回该key
优点：对CPU友好，只会在使用该key时才会进行过期检查,对于很多用不到的key不用浪费时间进行过期检查
缺点：对内存不友好，如果一个key已经过期， 但是一直没有使用， 那么该key就会一直存在内存中, 内存永远不会释放

③ Redis数据删除策略-定期删除

定期删除：每隔一段时间,，我们就对一些key进行检查 ，删除里面过期的key(从一定数量的数据库中取出一定数量的随机key进行检查，并删除其中的过期key)。
定期清理有两种模式:
● SLOW模式是定时任务,执行频率默认为10hz,每次不超过25ms,以通过修改配置文件redis.conf的hz选项来调
整这个次数
● FAST模式执行频率不固定，但两次间隔不低于2ms，每次耗时不超过1ms
优点：可以通过限制删除操作执行的时长和频率来减少删除操作对CPU的影响。另外定期删除，也能有效释放过期键占用的内存。
缺点：难以确定删除操作执行的时长和频率。

④ Redis的数据过期策略总结

惰性删除：访问key的时候判断是否过期，如果过期，则删除
定期删除：定期检查一定量的key是否过期( SLOW模式+ FAST模式)
Redis的过期删除策略：惰性删除+定期删除两种策略进行配合使用

⑤ 实战面试

8. 缓存-数据淘汰策略

① 问题引入

这个问题主要是想知道redis的-数据淘汰策略
数据的淘汰策略：当Redis中的内存不够用时， 此时在向Redis中添加新的key,那么Redis就会按照某一种规则将内存中的数据删除掉，这种数据的删除规则被称之为内存的淘汰策略。

② 选择删除的Key-8种策略

1. noeviction:不淘汰任何key，但是内存满时不允许写入新数据，默认就是这种策略。
2. volatile-ttl:对设置了TTL的key，比较key的剩余TTL值，TTL越小越先被淘汰（TTL过期时间）
3. allkeys-random:对全体key，随机进行淘汰。
4. volatile-random:对设置了TTL的key，随机进行淘汰。
5. alkeys-lru:对全体key，基于LRU算法进行淘汰
6. volatile-Iru: 对设置了TTL的key，基于LRU算法进行淘汰
7. allkeys-lfu:对全体key，基于LFU算法进行淘汰
8. volatile-lfu:对设置了TTL的key，基于LFU算法进行淘汰

补充LRU和LFU：
LRU (Least Recently Used)最近最少使用。用当前时间减去最后一次访问时间，这个值越大则淘汰优先级越高。（例如：key1是在3s之前访问的, key2是在9s之前访问的，删除的就是key2）
LFU (Least Frequently Used)）最少频率使用。会统计每个key的访问频率，值越小淘汰优先级越高。（例如：key1最近5s访问了4次, key2最近5s访问了9次,删除的就是key1）

推荐使用：
1 . 优先使用 allkeys-lru策略。充分利用LRU算法的优势，把最近最常访问的数据留在缓存中。如果业务有明显的冷热数据区分，建议使用。
2．如果业务中数据访问频率差别不大，没有明显冷热数据区分，建议使用allkeys-random，随机选择淘汰。
3．如果业务中有置顶的需求，可以使用volatile-lru 策略，同时置顶数据不设置过期时间，这些数据就一直不被删除，会淘汰其他设置过期时间的数据。
4．如果业务中有短时高频访问的数据，可以使用allkeys-lfu或volatile-lfu策略。

③ 其他面试问题

1．数据库有1000万数据，Redis只能缓存20万数据,如何保证Redis中的数据都是热点数据?
回答：使用allkeys-Iru(挑选最近最少使用的数据淘汰)淘汰策略，留下来的都是经常访问的热点数据

2 . Redis的内存用完了会发生什么?
提示：主要看数据淘汰策略是什么?如果是默认的配置（ noeviction )，会直接报错

④ 数据淘汰策略总结

1. Redis提供了8种不同的数据淘汰策略，默认是noeviction不删除任何数据，内存不足直接报错
2. LRU：最少最近使用。用当前时间减去最后一次访问时间，这个值越大则淘汰
   优先级越高。
3. LFU：最少频率使用。会统计每个key的访问频率，值越小淘汰优先级越高

注意：平时开发过程中用的比较多的就是allkeys-Iru(结合自己的业务场景)

⑤ 实战面试

二、Redis分布式锁

1. 使用场景

① 问题引入

分布式锁使用的场景：集群情况下的定时任务、抢单、幂等性场景（需要结合项目中的业务进行回答）

② 举例说明-抢卷场景

系统获取优惠劵数量，然后判断是否还有优惠劵，还有剩余就自减，没有就返回异常。

两个线程同时去查询并且剩余优惠卷只有1张就会出现问题，如：线程1和线程2查询到的剩余量都是剩余1张优惠劵，然后线程1先进行自减，此时优惠劵的剩余量是0张，但是线程2是在这之前就查询到的剩余1张的信息，线程2就会继续执行自减，此时就会出现异常。

解决方法一：加互斥锁（单台服务器）
这种方式虽然可以解决上面这个问题，但是没办法支撑更多的并发请求，只适用于单台服务器。

解决方法二：分布式锁（集群）
服务集群部署：

在线程1有锁的情况下，所有的线程都需要等待，如下图所示：

2. 实现原理（setnx、redisson）

① setnx实现分布式锁

Redis实现分布式锁主要利用Redis的setnx命令。setnx是SET if not exists(如果不存在，则SET)的简写。

补充：如果不设置过期时间可能会导致死锁问题（服务器宕机无法正常释放锁，那么设置过期时间可以解决这个问题）

有两种方案：根据业务执行时间预估、给锁续期

② redisson实现分布式锁

线程1持有锁，线程2不断循环尝试加锁，如果线程1一直没有释放锁，线程2循环到一定的次数就会直接结束，线程2获取锁失败。
等待机制在高并发的情况下可以增加分布式锁的使用性能。

lua保证命令执行的原子性：可以调用redis命令，保证多条命令执行的原子性。

三个重点：

1. watch dog可以给锁续期
2. 抢不到锁的线程会进行尝试等待
3. 所有的redis命令是基于lua脚本完成的，保证执行的原子性

redisson实现的分布式锁-可重入：
同一个线程可以重入，比如在add1方法中调用了add2方法

redisson实现的分布式锁-主从一致性：
主节点：负责写入数据（增删改）
从节点：负责读取数据（查）

如果主节点宕机，通过redis的哨兵模式在剩下的子节点中选出主节点，但这样也出现了新的问题，两个线程同时持有一把锁。用红锁可以解决。

RedLock(红锁)：不能只在一个redis实例上创建锁，应该是在多个redis实例上创建锁(n/ 2+1)，避免在一个redis实例上加锁。

补充：在项目中不推荐采用红锁，因为实现复杂、性能差、运维繁琐，需要提供多个独立的redis节点。
解决主从可以使用zookeeper

3. 分布式锁总结

① 问题总结

回答：
先按照自己简历上的业务进行描述分布式锁使用的场景（比如抢劵系统）
我们当使用的redisson实现的分布式锁，底层是setnx和lua脚本（保证原子性)

回答：在redisson的分布式锁中，提供了一个WatchDog(看门狗)，一个线程获取锁成功以后，WatchDog会给持有锁的线程续期（默认是每隔10秒续期一次)

回答：可以重入，多个锁重入需要判断是否是当前线程，在redis中进行存储的时候使用的hash结构，来存储线程信息和重入的次数。

回答：不能解决，但是可以使用redisson提供的红锁来解决，但是这样的话，性能就大低了，如果业务中非要保证数据的强一致性，建议采用zookeeper实现的分布式锁。

② 实战面试

三、Redis的其他面试问题

在Redis中提供的集群方案总共有三种：
1.主从复制
2.哨兵模式
3.分片集群

1.redis主从数据同步的流程是什么?
2.怎么保证redis的高并发高可用?
3.你们使用redis是单点还是集群，哪种集群?
4.Redis分片集群中数据是怎么存储和读取的?
5.Redis集群脑裂，该怎么解决呢?

1. 主从复制（高并发）

① 问题引入

单节点Redis的并发能力是有上限的，要进一步提高Redis的并发能力，就需要搭建主从集群，实现读写分离，增强并发能力。

② 主从数据同步原理

主从全量同步：
Replication ld：简称replid，是数据集的标记，id一致则说明是同一数据集。每一个master都有唯一的replid,slave则会继承master节点的replid；
offset：偏移量，随着记录在repl baklog中的数据增多而逐渐增大。slave完成同步时也会记录当前同步的offset,如果slave的offset小于master的offset，说明slave数据落后于master，需要更新。

思考问题：

1. 主节点master如何判断从节点slave是第一次同步？
   回答：主节点与拿取从节点的replid，对比是否一致，不一致则是第一次同步；
2. 主节点与从节点同步数据时，如何做到不多不少正好是从节点需要的那部分数据呢？
   第一次同步数据则会生成RDB文件，不是第一次同步数据就会根据偏移量来获取缺少的部分
   

主从增量同步：slave重启或后期数据变化
从节点发送replid和offset给主节点

③ 问题总结

回答：单节点Redis的并发能力是有上限的，要进一步提高Redis的并发能力，就需要搭建主从集群，实现读与分离。一般都是一主多从，主节点负责写数据，从节点负责读数据

回答：
全量同步：
1.从节点请求主节点同步数据（replication id、 offset )
2.主节点判断是否是第一次请求，是第一次就与从节点同步版本信息（replication id和offset)
3.主节点执行bgsave，生成rdb文件后，发送给从节点去执行
4.在rdb生成执行期间，主节点会以命令的方式记录到缓冲区（一个日志文件)
5.把生成之后的命令日志文件发送给从节点进行同步
增量同步：
1.从节点请求主节点同步数据，主节点判断不是第一次请求，不是第一次就获取从节点的offset值
2.主节点从命令日志中获取offset值之后的数据，发送给从节点进行数据同步

④ 实战面试

2. 哨兵模式（髙可用）

Redis提供了哨兵(Sentinel)机制来实现主从集群的自动故障恢复（保证redis主从的高可用）。

① 哨兵的作用

哨兵的结构和作用如下：
监控：Sentinel会不断检查您的master和slave
是否按预期工作
自动故障恢复：如果master故障，Sentinel会将一个slave提升为master。当故障实例恢复后也以新的master为主
通知： Sentinel充当Redis客户端的服务发现来源，当集群发生故障转移时，会将最新信息推送给Redis的客户端

② 服务状态监控

Sentinel基于心跳机制监测服务状态，每隔1秒向集群的每个实例发送ping命令:
主观下线：如果某sentinel节点发现某实例未在规定时间响应，则认为该实例主观下线。
客观下线：若超过指定数量（quorum)的sentinel都认为该实例主观下线，则该实例客观下线。quorum值最好超过Sentinel实例数量的一半。

哨兵选主规则
● 首先判断主与从节点断开时间长短，如超过指定值就排该从节点
● 然后判断从节点的slave-priority值，越小优先级越高
● 如果slave-prority-样，则判断slave节点的offset值，越大优先级越高
● 最后是判断slave节点的运行id大小，越小优先级越高。

③ Redis集群（哨兵模式）脑裂

脑裂：主节点和从节点处于不同的网络分区，就会出现两个master

此时客户端是连接的之前的主节点，当网络恢复了就会把之前的主节点降级为子节点，那么后面新增加的数据就会被清空掉。

解决脑裂问题，通过redis中有两个配置参数:
1.min-replicas-to-write 1表示最少的salve节点为1个
2.min-replicas-max-lag 5表示数据复制和同步的延迟不能超过5秒

④ 问题总结

redis是作为缓存使用的，不适用存储海量数据，适合存储热点数据，redis单节点的写操作并发8万，读操作并发10万。

解决：我们可以修改redis的配置,可以设置最少的从节点数量以及缩短主从数据同步的延迟时间,达不到要求就拒绝请求就可以避免大量的数据丢失。

⑤ 实战面试

3. 分片集群（海量数据存储）

① 问题引入

主从和哨兵可以解决高可用、高并发读的问题。但是依然有两个问题没有解决:
● 海量数据存储问题
● 高并发写的问题

② 分片集群结构

使用分片集群可以解决上述问题，分片集群特征：
● 集群中有多个master,每个master保存不同数据
● 每个master都可以有多个slave节点
● master之间通过ping监测彼此健康状态
● 客户端请求可以访问集群任意节点，最终都会被转发到正确节点

③ 分片集群的数据读写

Redis分片集群引入了哈希槽的概念，Redis 集群有16384个哈希槽，每个key通过CRC16校验后对16384取模来
决定放置哪个槽，集群的每个节点负责一部分hash槽。

④ 问题总结

⑤ 实战面试

4. Redis单线程

① 问题引入

● Redis是纯内存操作， 执行速度非常快
● 采用单线程，避免不必要的上下文切换可竞争条件，多线程还要考虑线程安全问题
● 使用I/O多路复用模型， 非阻塞IO

Redis是纯内存操作，执行速度非常快，它的性能瓶颈是网络延迟而不是执行速度，I/O多路复 用模型主要就是实现了高效的网络请求
● 用户空间和内核空间
● 常见的IO模型
   ➢ 阻塞IO (Blocking I0)
   ➢ 非阻塞IO (Nonblocking I0)
   ➢ I0多路复用(IO Multiplexing)
●Redis网络模型

② 用户空间与内核空间

● Linux系统中一 -个进程使用的内存情况划分两部分：内核空间、用户空间
● 用户空间只能执行受限的命令(Ring3) ，而且不能直接调用系统资源
必须通过内核提供的接口来访问
● 内核空间可以执行特权命令(Ring0) ，调用一-切系统资源

Linux系统为了提高IO效率,会在用户空间和内核空间都加入缓冲区：
● 写数据时，要把用户缓冲数据拷贝到内核缓冲区，然后写入设备
● 读数据时, 要从设备读取数据到内核缓冲区，然后拷贝到用户缓冲区

③ 阻塞IO与非阻塞IO

阻塞IO就是两个阶段都必须阻塞等待:

阶段一：
1.用户进程尝试读取数据 (比如网卡数据)
2.此时数据尚未到达，内核需要等待数据
3.此时用户进程也处于阻塞状态

阶段二：
1.数据到达并拷贝到内核缓冲区，代表已就绪
2.将内核数据拷贝到用户缓冲区
3.拷贝过程中，用户进程依然阻塞等待
4.拷贝完成，用户进程解除阻塞，处理数据

阻塞IO模型中，用户进程在两个阶段都是阻塞状态。

非阻塞IO的recvfrom操作会立即返回结果而不是阻塞用户进程。

阶段一:
1.用户进程尝试读取数据（比如网卡数据)
2.此时数据尚未到达，内核需要等待数据
3.返回异常给用户进程
4.用户进程拿到error后，再次尝试读取
5.循环往复，直到数据就绪

阶段二:
将内核数据拷贝到用户缓冲区
拷贝过程中，用户进程依然阻塞等待
拷贝完成，用户进程解除阻塞，处理数据

可以看到，非阻塞IO模型中，用户进程在第一个阶段是非阻塞，第二个阶段是阻塞状态。虽然是非阻塞，但性能并没有得到提高。而且忙等机制会导致CPU空转，CPU使用率暴增。

④ IO多路复用

IO多路复用：是利用单个线程来同时监听多个Socket（客户端的连接），并在某个Socket可读、可写时得到通知，从而避免无效的等待，充分利用CPU资源。

阶段一：
1.用户进程调用select，指定要监听的Socket集合
2.内核监听对应的多个socket
3.任意一个或多个socket数据就绪则返回readable
4.此过程中用户进程阻塞

阶段二：
1.用户进程找到就绪的socket
2.依次调用recvfrom读取数据
3.内核将数据拷贝到用户空间
4.用户进程处理数据

IO多路复用（Linux系统）是利用单个线程来同时监听多个Socket，并在某个Socket可读、可写时得到通知，从而避免无效的等待，充分利用CPU资源。不过监听Socket的方式、通知的方式又有多种实现，常见的有:
select、poll、epoll

差异:
1.select和poll只会通知用户进程有Socket就绪，但不确定具体是哪个Socket，需要用户进程逐个遍历Socket来确认
2.epoll则会在通知用户进程Socket就绪的同时，把已就绪的Socket写入用户空间

点餐案例（select、poll ）：每个顾客可以通过自己的开关进行点灯，灯亮的时候服务员就去一个一个去询问，确定是谁点灯
点餐案例（epoll ）：每个顾客可以控制服务员的计算机，客户按下按钮，计算器中显示几号桌就绪

⑤ Redis网络模型

Redis通过IO多路复用来提高网络性能，并且支持各种不同的多路复用实现，并且将这些实现进行封装，提供了统一的高性能事件库

redis的网络模型=IO多路复用+事件派发，对应不同的事件给不同的处理器。

⑥ 问题总结

⑦ 实战面试

引用声明

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