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Redis的基础，经典，高级问题解答篇

article 2025/3/30 17:58:29

一，基础

二，经典

缓存雪崩：

1. Redis事务的原子性

2. 与MySQL事务的区别

1. 主从复制原理

2. 哨兵模式故障转移流程

3. 客户端感知故障转移

三，高级

一，基础

Redis的5种基础数据类型及使用场景？Zset底层实现原理？
1. String（字符串）
  - 场景：缓存简单键值对（如用户会话信息、计数器）、分布式锁（如SETNX）、二进制数据存储（如图片Base64）。
  - 特点：支持原子操作（如INCR、DECR），最大存储512MB。
2. List（列表）
  - 场景：消息队列（LPUSH/RPOP实现生产者-消费者）、最新消息排行（如微博时间线）、阻塞式任务调度。
  - 特点：双向链表，支持按索引操作（但时间复杂度高）。
3. Hash（哈希表）
  - 场景：存储对象（如用户信息字段：HSET user:1 name "Alice"）、聚合数据（如购物车商品信息）。
  - 特点：支持单字段读写，内存优化（底层为ziplist或hashtable）。
4. Set（集合）
  - 场景：去重数据（如用户标签）、共同好友（SINTER求交集）、随机抽奖（SRANDMEMBER）。
  - 特点：无序、自动去重，支持集合运算（并/交/差）。
5. Zset（有序集合）
  - 场景：排行榜（按分数排序）、延迟队列（以时间戳为score）、带权重的任务调度。
  - 特点：元素唯一但score可重复，支持范围查询（ZRANGEBYSCORE）。
6. Zset的底层由 跳跃表（Skip List） 和 字典（Dict） 组成，或在小数据量时使用 listpack（替代旧版的ziplist）：
  - 跳跃表：
    - 多层链表结构，高层链表作为“快速通道”，支持O(log N)的查询、插入、删除。
    - 每个节点包含score和value，按score排序，支持高效范围操作（如ZRANGE）。
  - 字典：
    - 维护value -> score的映射，实现O(1)的单元素查询。
  - 内存优化：
    - 元素数≤zset-max-listpack-entries且元素大小≤zset-max-listpack-value时，使用listpack存储。

Redis持久化机制RDB和AOF的区别？如何选择？

特性	RDB	AOF
原理	定时生成全量数据快照（二进制文件）	记录所有写命令（追加日志文件）
文件体积	小（压缩二进制）	大（文本命令，需重写优化）
恢复速度	快（直接加载内存）	慢（重放命令）
数据安全	可能丢失最后一次快照后的数据	可配置`fsync`策略（无/秒级/每次写）
资源消耗	高（`fork`子进程内存开销）	低（追加日志，重写时才有`fork`开销）

选择策略：
1. 高数据安全：选择AOF（appendfsync everysec），容忍秒级丢失。
2. 快速恢复/备份：选择RDB（如每日备份）。
3. 混合模式：Redis 4.0+支持RDB+AOF，AOF记录增量，RDB做全量备份。

如何用Redis实现分布式锁？需要注意哪些问题？
1. 实现步骤：
2. ```
// 加锁：SET key unique_value NX PX 30000
String result = jedis.set("lock_key", "client1", "NX", "PX", 30000);
if ("OK".equals(result)) {
    // 执行业务逻辑
} 

// 解锁：Lua脚本保证原子性
String script = 
    "if redis.call('get', KEYS[1]) == ARGV[1] then " +
    "   return redis.call('del', KEYS[1]) " +
    "else " +
    "   return 0 " +
    "end";
Object unlockResult = jedis.eval(script, Collections.singletonList("lock_key"), Collections.singletonList("client1"));
```
  注意事项：
  1. 锁过期时间：需预估业务耗时，建议设置自动续期（如Redisson的看门狗）。
  2. 唯一标识：value使用唯一值（如UUID+线程ID），避免误删其他客户端的锁。
  3. 优化方案：
  4. 使用Redisson库，内置看门狗、可重入锁、红锁（RedLock）实现。
  5. 对锁操作添加重试机制（如指数退避）。
  7. 原子性操作：加锁（SET NX PX）和释放锁（Lua脚本）必须原子化。
  8. 集群问题：
    - 主从异步复制：主节点宕机可能导致锁丢失，可考虑RedLock算法（需部署多实例）。
    - RedLock争议：依赖系统时钟一致性，需权衡CAP。

二，经典

什么是缓存穿透/雪崩/击穿？分别给出解决方案
1. 缓存穿透：
  1. 问题：大量请求查询数据库中不存在的数据（如非法ID），绕过缓存直接压垮数据库。
    解决方案：
    1. 布隆过滤器（Bloom Filter）：在缓存层前加布隆过滤器，预存所有合法键的哈希值，拦截非法请求。
      - 特点：存在一定误判率（可能将非法请求误判为合法），需权衡内存占用。
    2. 缓存空值：对查询结果为null的键，缓存空值并设置短过期时间（如30秒）。
      - 注意：需定期清理无效空值，避免内存浪费。
2. 缓存雪崩：
  1. 问题：大量缓存同时过期或缓存服务宕机，导致请求全部涌向数据库。
    解决方案：
    1. 随机过期时间：为缓存设置基础过期时间 + 随机偏移值（如 TTL = 24h + random(0, 1h)）。
    2. 永不过期 + 异步更新：
      - 缓存不设过期时间，通过后台线程定期更新。
      - 结合双缓存策略：主缓存永不过期，备份缓存设置过期时间作为兜底。
    3. 熔断降级：使用Hystrix等工具，在数据库压力过大时直接返回默认值或限流。
3. 缓存击穿：
  1. 问题：热点数据过期时，高并发请求瞬间击穿缓存，直接访问数据库。
    解决方案：
  2. 互斥锁（Mutex Lock）：
    - 当缓存失效时，通过分布式锁（如Redis的SETNX）控制只有一个线程重建缓存，其他线程等待。
    - 示例代码：
    - ```
    public String getData(String key) {
        String value = redis.get(key);
        if (value == null) {
            if (redis.setnx("lock_" + key, "1", 10)) { // 获取锁
                value = db.query(key);
                redis.setex(key, 3600, value);
                redis.del("lock_" + key); // 释放锁
            } else {
                Thread.sleep(100); // 等待后重试
                return getData(key);
            }
        }
        return value;
    }
```
- 逻辑过期：缓存永不过期，但存储的数据中增加逻辑过期时间字段，由业务代码判断是否需要异步更新。

Redis事务的原子性如何理解？与MySQL事务的区别？

1. Redis事务的原子性

实现方式：通过MULTI（开启事务）、EXEC（提交事务）、DISCARD（取消事务）命令实现。
原子性含义：
- 命令队列的原子执行：事务中的命令会被序列化并按顺序执行，不会被其他客户端命令打断。
- 不支持回滚：若事务中某条命令执行失败（如语法错误），其他命令仍会继续执行，无回滚机制。
- 示例：
- ```
MULTI
SET key1 "A"  # 入队
INCR key2     # 入队（若key2非数值类型，执行时报错）
EXEC          # 提交事务，第二条命令执行失败，但第一条仍生效
```

2. 与MySQL事务的区别

特性	Redis	MySQL
原子性	仅保证命令队列的批量执行，无回滚	支持ACID，失败时自动回滚
隔离性	无隔离级别，事务执行期间可能被其他客户端修改数据	支持多隔离级别（如读已提交、可重复读）
持久性	依赖持久化机制（RDB/AOF）	依赖Redo Log和Binlog保证持久性
使用场景	简单批量操作（如批量SET）	复杂业务逻辑（如转账、订单处理）

Redis主从复制原理？哨兵模式如何实现故障转移？
1. 1. 主从复制原理
2. 核心流程：
  1. 全量同步（首次连接）：
    - 从节点发送PSYNC ? -1命令请求同步。
    - 主节点执行BGSAVE生成RDB文件并发送给从节点，同时缓存期间的写命令到复制缓冲区。
    - 从节点加载RDB后，主节点发送缓冲区中的写命令使其追上最新状态。
  2. 增量同步（断线重连）：
    - 从节点发送PSYNC <runid> <offset>，主节点根据offset从复制缓冲区发送增量数据。
    - 若复制缓冲区数据丢失（如缓冲区溢出），触发全量同步。
3. 关键配置：
  - repl-backlog-size：调整复制缓冲区大小，避免频繁全量同步。
4. 2. 哨兵模式故障转移流程
  
  哨兵（Sentinel）是Redis的高可用解决方案，负责监控、通知和自动故障转移：
5. 监控：
  - 每个哨兵节点定期向主节点、从节点和其他哨兵发送PING命令检测存活状态。
6. 主观下线（SDOWN）：
  - 若哨兵在down-after-milliseconds时间内未收到主节点的有效响应，标记其为主观下线。
7. 客观下线（ODOWN）：
  - 当超过半数哨兵认为主节点主观下线，则标记为客观下线。
8. 选举Leader哨兵：
  - 通过Raft算法选举一个Leader哨兵来执行故障转移。
9. 故障转移：
  - Leader哨兵从从节点列表中选出一个新的主节点（基于优先级、复制偏移量等）。
  - 向其他从节点发送SLAVEOF命令，使其复制新主节点。
  - 更新客户端配置，通知其连接新主节点。
10. 3. 客户端感知故障转移
11. 客户端通过订阅哨兵的+switch-master事件获取新主节点地址，或通过哨兵API动态查询。

三，高级

Redis Cluster集群模式的数据分片原理？如何实现动态扩容？
1. 数据分片原理
  Redis Cluster采用哈希槽（Hash Slot）机制进行数据分片，共有16384个槽位。每个键通过CRC16(key)计算哈希值，再对16384取模确定所属槽位。集群中的每个节点负责一部分槽，数据分布由槽分配决定。客户端请求时，若连接节点不负责该槽，会返回MOVED重定向错误，引导客户端访问正确节点。节点间通过Gossip协议交换集群状态，维护槽分配信息的一致性。
  
  动态扩容实现
2. 添加新节点：使用CLUSTER MEET将新节点加入集群。
3. 迁移槽数据：
  - 使用redis-cli --cluster reshard触发槽重新分片。
  - 源节点将槽内键逐个迁移到目标节点，期间对正在迁移的键的请求，源节点返回ASK重定向，客户端需重试到目标节点。
4. 更新槽分配：迁移完成后，槽归属信息通过Gossip协议同步到整个集群。
5. 副本扩展：新增副本节点通过CLUSTER REPLICATE同步主节点数据。
Redis内存淘汰策略有哪些？如何设计大Key热Key的解决方案？
1. 内存淘汰策略（通过maxmemory-policy配置）
2. noeviction：拒绝写入新数据（默认）。
3. volatile-ttl：淘汰过期时间最近的键。
4. LRU/LFU策略：
  - allkeys-lru/volatile-lru：基于最近最少使用。
  - allkeys-lfu/volatile-lfu：基于访问频率（4.0+）。
5. 随机淘汰：allkeys-random/volatile-random。
6. 大Key解决方案
7. 拆分：如将大Hash拆分为多个小Hash，通过键名后缀分片。
8. 异步删除：使用UNLINK代替DEL，非阻塞释放内存。
9. 压缩：对Value进行压缩（如GZIP），但会增加CPU开销。
10. 监控：通过redis-cli --bigkeys定期扫描大Key。
11. 热Key解决方案
12. 多级缓存：本地缓存（如Guava）减少Redis访问。
13. 读写分离：通过副本节点分散读压力。
14. 分片打散：使用Hash Tag（如{user1000}.profile）强制热Key分布到同一节点，并增加副本。
15. Proxy支持：如Twemproxy或Codis自动分散请求。
Redis多线程模型演进（从单线程到IO多线程）？管道技术原理？
1. 多线程演进
2. 单线程模型（6.0前）：单线程处理所有网络I/O、命令解析和执行，避免锁竞争，但无法利用多核CPU。
3. I/O多线程（6.0+）：
  - 多线程网络I/O：主线程负责接收连接，I/O线程处理读写（配置io-threads启用）。
  - 单线程命令执行：命令执行仍为单线程，保证原子性。
4. 性能提升：高并发场景下，网络I/O瓶颈缓解，吞吐量显著提升。
5. 管道技术（Pipeline）原理
6. 批量发送：客户端将多个命令打包发送，减少网络往返次数（RTT）。
7. 服务端顺序执行：服务器按顺序依次执行命令，全部完成后一次性返回结果。
8. 优势：适用于批量操作（如批量写入），提升吞吐量。
9. 注意点：不保证原子性，且返回结果需客户端按序解析。