Redis 面试题集

码炫课堂-码哥

于 2024-05-17 18:55:36 发布

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分类专栏：面试文章标签： redis 缓存面试

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阶段1、深入多线程

 阶段2、深入多线程设计模式

 阶段3、深入juc源码解析

阶段4、深入jdk其余源码解析

阶段5、深入jvm源码解析

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基本介绍

Redis 是什么

Redis 是一个开源的基于内存的数据库，它被广泛用于缓存、消息队列、会话存储以及数据存储等各种用途。Redis以键值对（key-value）的形式存储数据，并支持多种数据结构，如字符串、哈希表、列表、集合和有序集合等。

相比其他数据库有以下优点：

快速：Redis能读的速度是110000次/s,写的速度是81000次/s。
支持丰富数据类型：Redis支持二进制安全的字符串、哈希表、列表、集合、有序集合等数据结构。
原子性：Redis的所有操作都是原子性的，而且Redis还能对多个操作打包成原子性的，通过这个功能可以实现批量插入。
丰富的特性：Redis还支持push/pop、add/remove及并集、交集等操作，这些操作都是原子性的，所以是很高效的。还能进行排序。

由于 Redis 对数据的读写操作都是在内存中完成，因此读写速度非常快，常用于缓存，消息队列、分布式锁等场景。

Redis 有哪些应用场景，能举例详细说明吗？

Redis在多种应用场景中都有广泛的应用，下面是一些常见的应用场景，：

缓存系统：Redis可以用来作为应用程序和数据库之间的缓存层，存储热点数据或者频繁访问的数据，提高数据查询速度，减轻数据库压力。例如，将用户的个人信息、商品信息等存储在 Redis 中，在用户访问时先查询 Redis，若缓存中没有则查询数据库，并将结果存入 Redis 以供后续使用。
计数器：Redis 的原子操作可以实现各种计数器，如网站访问量计数、社交媒体的点赞数、文章的点击量等。可以使用 INCR 命令对键值对执行自增操作，或者使用 DECR 命令进行自减操作。
消息队列：通过 Redis 的 List 数据结构可以实现简单的消息队列系统。使用 LPUSH 向队列中添加消息，RPOP 从队列中取出消息，并进行处理。或使用阻塞式操作 BRPOP/BLPOP 等待队列中的消息。
排行榜：利用 Redis 的有序集合（Sorted Set）可以维护实时的排行榜数据，如游戏分数排行、销售额排行等。通过添加成员和对应分数到有序集合，然后使用ZREVRANGE获取前N名的成员。
实时分析：Redis 的高性能和数据结构可以用于监视和分析实时数据，比如实时显示访客来源、在线用户数量、实时热点等。
Session共享：在分布式系统中，为了实现 Session 的读取和写入效率，通常会将 Session 数据存储在 Redis 中，各个应用服务器可以共享这些 Session 数据。
分布式锁：Redis 的分布式性质和原子性操作使其适合用作分布式锁的实现。这可以帮助解决分布式系统中的并发访问问题。
限流和防刷：Redis 可以用来实现请求限流和防刷策略，以确保系统不会受到恶意请求或大量请求的影响。

这里仅列举了部分应用场景，实际上 Redis 在各种领域中都有广泛的应用。其中的关键点在于对 Redis 的数据类型和功能的理解，充分发挥其特性。

Redis 为什么这么快？

Redis的高性能主要由以下几个因素决定：

内存存储：Redis 将所有数据保存在内存中，内存的读写速度远超过硬盘。当读取数据时，Redis 无需像磁盘数据库一样从硬盘读取，无需考虑磁盘I/O，磁头寻址等操作，大大减少了延迟。
非阻塞**I/O**：Redis 采用了基于多路复用技术的事件处理模型，可以处理大量并发请求。即使在高并发环境下，也能保持稳定的响应时间。
优化的数据结构：Redis 支持多种数据类型（比如字符串、列表、集合、散列、有序集），可以更精细地控制数据，使得对数据的操作更加具有针对性，进而提高操作效率。
单线程的操作设计：Redis 的操作都是单线程的，规避了传统数据库因为多线程引起的各类问题，比如锁竞争、上下文切换等（注：Redis 6 后引入了多线程模型）。
复制的特性：Redis 通过主从复制的方式实现数据的备份，并且复制操作是非阻塞的，除非处于同步复制（SYNC）的状态，否则主服务无需阻塞其他操作。
持久化设计：Redis 提供了两种数据持久化策略，RDB和AOF。用户可以根据自己的需求，选择合适的持久化策略，以平衡数据安全性和运行效率，这允许 Redis 在保持高性能的同时提供数据持久性。

总的来说，Redis的快速性能得益于其设计、数据结构、单线程模型以及内存存储等因素的相互结合。但是需要注意的是，虽然 Redis 的性能非常高，但由于其数据存放在内存中，因此在数据安全性和存储成本方面相对会有一些缺点，这需要根据具体需求来权衡。

Redis 有哪些优缺点

Redis 具有许多优点，但同时也存在一定的缺点。下面列举了 Redis 的优缺点：

优点：

性能高：Redis 将数据存储在内存中，读写速度快，适合缓存和实时数据处理。
多数据结构支持：Redis 支持多种数据结构，如字符串、列表、集合、散列、有序集等数据结构，可以满足各种应用场景的需求。
发布-订阅模式：Redis支持发布-订阅模式，可以应用于消息队列、实时通信等领域。
持久化：Redis支持 RDB 和 AOF 两种持久化方式，可以将内存中的数据定期保存到磁盘，保证数据的可靠性。
原子性：Redis 的命令是原子性的，可以保证在并发操作时数据的一致性。
Lua脚本支持：Redis 支持 Lua 脚本，用户可以编写自定义脚本来实现复杂业务逻辑。
分布式锁支持：Redis 提供了简单的分布式锁实现，可解决多个系统实例间的资源竞争问题。
空间与时间效率：Redis 的数据结构设计兼顾空间和时间效率，可降低对系统资源的占用。
易于扩展：Redis 支持主从同步、Sentinel 集群管理和 Redis Cluster 分布式架构，可满足需要水平扩展的场景。

缺点：

内存限制：Redis 将数据保存在内存中，受限于物理内存大小，存储空间有限。
单线程处理：虽然避免了多线程引入的问题，但 Redis 的单线程处理也限制了它无法充分利用多核 CPU 资源。虽然对于大多数应用来说足够快，但在某些极端情况下可能导致性能瓶颈。
数据安全性：与磁盘存储的数据库相比，Redis 的数据存放在内存中，在某些情况下，比如突然断电，数据可能会丢失部分最近的更改。
高昂的存储成本：相较于磁盘存储的成本，内存存储在大容量和长时间存储场景下成本较高。
集群管理复杂：尽管 Redis 支持集群管理，但与其他分布式数据库相比，搭建和维护 Redis 集群的复杂性较高。
数据安全性： Redis默认情况下没有内置的身份验证机制，需要额外配置来确保数据安全。

Redis 线程模型

Redis 为什么要使用单线程？多线程性能不是更好吗？

在讨论这个问题之前，需要先看 Redis 的版本中两个重要的节点：

Redis 4.0 引入多线程处理异步任务
Redis 6.0 在网络模型中实现多线程 I/O

所以，网络上说的 Redis 是单线程，通常是指在 Redis 6.0 之前，其核心网络模型使用的是单线程。且 Redis6.0 引入多线程I/O，只是用来处理网络数据的读写和协议的解析，而执行命令依旧是单线程。

Redis 使用单线程模型的主要原因是为了简化设计和降低开发复杂度，并且在内存操作场景下，单线程已经足够支撑高性能表现。我们看官方给出的答案：

核心意思是：CPU 并不是制约 Redis 性能表现的瓶颈所在，更多情况下是受到内存大小和网络I/O的限制，所以 Redis 核心网络模型使用单线程并没有什么问题。而且使用单线程能够简化设计和降低开发复杂度。相比多线程使用单线程具有如下几个优势：

简化设计和开发：多线程编程会引入竞态条件、死锁等问题，相对复杂，难以调试。而单线程模型避免这些问题，使得 Redis 的架构更简单、直观且易于维护。此外，单线程模型消除了多线程环境下的同步、锁等成本。
充分利用**I/O**多路复用：Redis 使用 I/O 多路复用机制来同时处理大量客户端连接，即使在单线程模式下，它可以在相应时间内处理更多的请求。由于 Redis 主要是以内存为基础的数据库，因此绝大多数操作都是 CPU 绑定（CPU-bound）的，所以它的性能主要受这些操作本身的时间复杂度所限制。
原子性操作： Redis 支持原子性操作，这是单线程模型的自然优势之一。在 Redis 中，一些常见操作，如自增、自减、集合操作等，可以在单个命令中执行，而不需要多个命令之间的锁操作。

虽然多线程具有潜在的性能优势，例如在多核 CPU 系统中充分利用资源，但对于 Redis 而言，它的内存操作速度已经非常快，并且大部分情况下，I/O延迟和网络延迟才是瓶颈。因此，在内存存储数据库的场景下，单线程模型已经能达到很高的性能，而避免了多线程带来的复杂性和开发成本。

当然，在特定场景下，如需要对磁盘操作或计算密集型任务进行处理时，例如Redis的持久化、压缩等，可以选择使用多线程以获得更好的性能，但这并不妨碍其在内存操作时坚持使用单线程。

请详细介绍 Redis 的单线程模型？

在 Redis 中，服务器采用了单线程模型来处理客户端的请求。尽管只使用单个线程，利用I/O多路复用技术和高效内存操作，Redis 实现了高性能的数据存储和检索。以下是 Redis 单线程模型的详细解释，包括其工作流程：

客户端连接：

当客户端发起连接请求时，Redis服务器接受这些连接，并创建一个客户端对象与文件描述符(File Descriptor)来表示该客户端的连接。
读取请求：

当客户端向服务器发送命令请求时，Redis服务器使用单线程在非阻塞的方式下从多个客户端连接上读取数据。这里的非阻塞方式是基于I/O多路复用技术（如epoll、select、kqueue等）实现的。利用这个技术，服务器可以同时监控多个客户端连接，高效地读取输入的命令请求。
命令队列：

Redis服务器将读取到的命令请求插入一个命令队列，以便逐个处理。为了保证线程安全和数据操作的顺序，每个命令请求都在此队列中等待服务器执行。这个队列也能确保命令按照FIFO（先进先出）的顺序执行。
命令处理：

Redis服务器从命令队列中依次取出命令，并对数据执行相应的操作。由于在单线程环境中，服务器一次只处理一个命令，因此可以保证数据操作的原子性，不需要使用锁或其他同步机制。
响应返回：

完成命令处理后，Redis服务器将结果返回给相应客户端。和读取请求类似，Redis在写入响应时仍然使用单线程非阻塞方式。当一个客户端连接准备好发送数据时，服务器将响应写入输出缓冲区，并使用多路复用技术将输出缓冲区的数据发送到对应的客户端。

Redis 6.0 后为何要引入多线程？

Redis 6.0引入了I/O-Threading模型，主要目的是进一步提高 Redis 的性能。

具体来说，Redis 6.0 的多线程主要用于处理网络I/O操作，而不是数据的读写操作。这是因为随着网络硬件的性能提升，Redis 的性能瓶颈往往在网络I/O，而不是数据的处理速度。所以为了提高网络 I/O 的并行度，Redis 6.0 对于网络 I/O 采用多线程来处理。

再具体一点，Redis 需要处理大量的客户端连接。对于每一个客户端，Redis 都需要接收请求、发送响应，而每一次的网络操作都需要系统调用，导致频繁的上下文切换，这会带来巨大的性能损耗。因此，通过使用多个线程并行地进行网络 I/O 操作，可以有效地减少上下文切换的数量，进一步提升处理网络请求的性能。

但是，Redis 在处理真正的命令时，仍然使用单线程模型。主要原因是多线程可能会引入竞争条件，使得实现和维护变得复杂。此外，由于 Redis 的数据处理大部分都是内存操作，这些操作已经非常快速，多线程对于这些操作的性能提升其实相对有限。

总的来说，通过引入多线程进行网络 I/O 操作，Redis 6.0在保持数据处理的简单性和高效性的同时，进一步优化了处理网络请求的性能。

Redis 6.0 多线程的实现机制是怎样的？

Redis 6.0 的多线程实现机制主要集中在网络 I/O 操作上。在这个版本中，Redis 引入了多个线程来处理客户端连接的读写操作，而在处理实际的数据命令时仍然保持单线程。

以下是Redis 6.0多线程实现的详细机制：

线程创建和管理

Redis 6.0 在启动时，会根据配置文件或命令行参数创建一定数量的线程，这些线程被称为 I/O 线程，它们的主要任务是读取客户端的请求和发送响应。在运行期间，Redis 服务器对这些线程进行统一管理。
任务分发

当客户端发送请求到 Redis 服务器时，主线程首先负责接收到来自客户端的数据，然后将请求分发给 I/O 线程去读取。一种简单的任务分发方式是采用轮询法(Round-Robin)，即依次将请求分给不同的I/O线程。