Redis——面试+思想+应用

简介

提示：理论+方法+小总结

Redis基本介绍：

Redis（Remote Dictionary Server）是一个开源的、基于内存的高性能键值存储的内存数据库。这里要区分开MySQL：
它支持多种基础数据结构
1、字符串（Strings）
2、哈希（Hashes）
3、列表（Lists）
4、集合（Sets
5、有序集合（Sorted Sets）
以及更高级的数据结构如
1、位图（Bitmaps）
2、超日志（Hyperloglogs）
4、地理空间索引（Geo indexes）

性能：

作为内存数据库，Redis的读写性能极高，能够支持每秒万级甚至百万级的读写操作，非常适合需要快速读写操作的场景。

持久性和复制：

虽然Redis是基于内存的，但它支持数据的持久化。可以通过RDB（快照）或AOF（append-only file）方式将内存中的数据定期或实时保存到磁盘上，确保数据安全。此外，Redis支持主从复制功能，提高数据的可用性和冗余。

补充——重点：

抛开Redis在java项目开发中：不论是elasticsearch还是Rocketmq等等诸多中间件和框架只要是涉及到会存储的那么都是如下的思想：
1、定时
2、定量
这两种在和：同步、异步进行组合：
最终结果为：
定时-同步刷盘
定时-异步刷盘
定量-同步刷盘
定量-异步刷盘
从性能角度来讲：定量-异步刷盘性能最高，从数据安全性角度来讲：定时-同步刷盘安全性最高性能最低。

Redis额外支持的操作：

Redis不但支持基本的键值操作，还提供复杂的数据结构操作，如事务、管道（pipeline）、Lua脚本、发布/订阅模式等

使用场景：

Redis由于其高性能的特性，通常被用于以下场景：

1、缓存系统：减少数据库负载，提供快速响应；
2、会话存储：如Web应用中的用户会话管理；
3、消息队列：因其支持发布订阅模式（pub/sub）；
4、实时分析：如计算在线用户数、排行榜等；
5、地理空间数据：支持地理空间索引和范围查询。

与Java的集成：

在Java应用中，可以通过使用Jedis、Redisson、redisTemplate、Lettuce等客户端库来和Redis进行交互。这些库提供API来执行Redis命令，处理连接池，以及实现复杂的功能如分布式锁等。
但是通常建议使用Redisson，这里提供的功能更多，如看门狗机制

Redis集群

Redis拥有多种集群解决方案，以提供高可用性和水平扩展功能。以下是几种常见的Redis集群配置和它们的特点：

Redis Sentinel

描述：主从复制的模式增加了Redis Sentinel系统以实现高可用性。Sentinel负责监控所有Redis节点，并在主节点故障时自动进行故障转移(Process Failover)。

优点：

1、故障发现和自动故障转移。
2、可以继续使用单个Redis实例，无需修改客户端代码。

缺点：

不提供自动分片，因此不能直接用于数据水平扩展；由于使用异步复制，仍有数据丢失的风险。

适用场景：

要求高可用但数据量不是特别巨大的场景。

Redis Cluster

描述：一个分布式数据库系统，通过自动将数据分片到多个Redis实例中来提供水平扩展和高可用性。

优点：

1、自动分片，可水平扩展；
2、支持主从复制，并提供故障转移功能；
3、无单点故障（No single point of failure，NSPF）。

缺点：

1、客户端需要支持Redis Cluster协议；
2、分片机制可能会限制某些复杂操作，例如，有些事务和键操作要求数据位于同一节点上。

适用场景：

大规模数据集和高吞吐量要求场景。

除了以上两种官方支持的解决方案外，还有一些社区或云服务提供商实现的Redis高可用和分布式解决方案：

Codis

描述：基于代理的Redis分片解决方案，通过增加一个代理层来实现Redis的水平扩展。

优点：

1、对客户端透明，不需要特别的客户端支持；
2、提供图形界面管理工具；
3、动态扩缩容。

缺点：

1、新增了代理层，增加了系统复杂性；
2、不是Redis官方支持的，社区维护可能不如官方活跃。

适用场景：

操作简单，需要容易管理的环境下的中小型Redis集群。

Redis Enterprise

描述：Redis官方推出的企业版本，提供自动分片、持久化、备份、高可用等功能。

优点：

1、官方支持，稳定性和性能有保障；
2、集成了许多高级功能，例如自动重平衡、热升级；
3、提供图形界面的管理平台。

缺点：

1、商业化产品，需要付费；
2、对开源社区选型有一定限制。

适用场景：

对性能和稳定性有非常高要求的企业级应用。
选择不同的Redis集群方案时，需要权衡数据规模、易用性、成本、客户端支持等因素。对于大部分应用来说，Redis官方提供的Sentinel和Cluster方案已经能够很好地满足需求。在一些特定的、对集群管理有更复杂要求的场景下，则可以考虑使用如Codis或Redis Enterprise等其他解决方案。

补充

我之前没有单独列出"主从复制"作为一种集群配置，但实际上它是Redis提供高可用性的基础，并且在Redis Sentinel和Redis Cluster中都扮演重要的角色。我们可以将主从复制单独说明：

主从复制（Replication）

主从复制是Redis支持的一种数据复制方式，它允许一个或多个副本(从服务器)，实时地复制主服务器的数据。它的配置简单，主要用于数据的冗余备份、读写分离和提高数据安全性。

优点：

1、数据冗余：提供数据的多个副本，可以用于灾难恢复。
2、读写分离：读操作可以分布到多个从节点，减轻主节点压力。
3、数据备份：可在从节点上进行持久化操作，避免影响主节点性能。
4、可扩展性：通过增加从节点来水平扩展读取能力。

缺点：

1、写操作不可扩展：所有写操作仍然需要通过主节点，主节点成为瓶颈。
2、不自动故障转移：如果主节点宕机，需要人工介入或额外的工具（如Sentinel）进行故障转移。
3、数据存在延迟：从节点的数据同步可能存在延迟，不能保证强一致性。

适用场景：

1、数据备份和灾难恢复。
2、当应用对读取性能要求高，而对写入性能和强一致性要求不高时，可以搭配多从节点以分散读压力。
3、作为复杂高可用解决方案（如Sentinel和Cluster）的一部分。
4、主从复制通常是高可用和负载均衡配置的基础。
比如，在Redis Sentinel中，Sentinel负责监控主从服务器并自动执行故障转移操作。在Redis Cluster中，各个分片（shard）内部也会使用主从复制来确保数据的高可用性。

因此，即使没有单独列出主从复制作为一个集群配置选项，它实际上是构成其他高可用集群解决方案的关键组件。

数据结构

数据结构分析——操作

提示：先操作后思想+面试

Redis提供了多种数据结构，每种结构都适合不同的使用场景。下面是Redis支持的常用数据结构及其典型使用场景：

字符串（String）

场景：缓存用户信息、会话（Session）信息、计数器、分布式锁的值。
描述：可以包含任何数据，例如文本、数字或者序列化的对象。

操作

# 增
SET user:1 "John Doe"

# 删
DEL user:1

# 改
SET user:1 "Jane Doe"

# 查
GET user:1

底层数据结构

字符串在Redis中是最基本的数据类型，实际上是动态字符串sds（simple dynamic string）。
Redis的字符串是二进制安全的，可以包含任意数据，比如jpeg图片或序列化的对象。
特点：动态字符串意味着字符串长度可以在运行时修改，不像C语言的字符串以空字符终止，支持高效的长度计算和字符串追加操作。

哈希（Hash）

场景：存储对象数据，如用户的属性，避免频繁的加载和存储整个对象。
描述：键值对集合，适合存储对象。

操作

 # 增
HSET user:2 name "Alice" age "30" city "Wonderland"

# 删
# 删除特定字段
HDEL user:2 city
# 删除整个哈希
DEL user:2

# 改
HSET user:2 age "31"

# 查
HGET user:2 name
HGETALL user:2

底层数据结构

哈希在小数据集下使用ziplist（压缩列表），在数据量变大时转而使用hashtable。ziplist是Redis为内存优化设计的数据结构，压缩空间但对于元素的增删改查可能相对较慢。
特点：当哈希内的字段数量增长，或单个字段值超过某个阈值时，底层数据结构从ziplist升级到hashtable。

列表（List）

场景：实现队列（FIFO）或栈（LIFO）结构，比如消息队列。
描述：有序集合，按插入顺序排序。

操作

 # 增
LPUSH friends:1 "Bob"
RPUSH friends: