Redis 相关内容记录

Redis 是一个高性能的内存数据存储系统，广泛应用于缓存、消息队列、实时分析等领域。

1. 内存存储机制

Redis 的数据存储在内存中，这意味着数据访问速度非常快。然而，内存存储也带来了数据持久化的问题。

2. 数据结构

Redis 支持多种数据结构，每种都有其独特的实现和适用场景：

• 字符串（String）：Redis 的基本数据类型，支持动态字符串和原子操作，适用于存储简单键值对。
• 哈希（Hash）：由键值对组成的集合，内部使用哈希表实现，适合存储对象的多个字段。
• 列表（List）：有序的字符串集合，使用双向链表实现，适合在两端进行高效插入和删除操作。
• 集合（Set）：无序的唯一字符串集合，内部使用哈希表实现，支持高效的成员检查和集合运算。
• 有序集合（Sorted Set）：集合的扩展，每个成员关联一个分数，使用哈希表和跳表实现，支持有序操作。
• 位图（Bitmap）：通过位操作在字符串上实现，适用于存储大量的布尔值，非常节省内存。
• HyperLogLog：一种概率数据结构，用于估计集合中唯一元素的数量，适用于大数据量的统计场景。
• 地理空间索引（Geospatial Index）：使用有序集合和 geohash 实现，支持高效的地理范围查询。

3. 内存管理

Redis 使用 slab 分配器管理内存，减少内存碎片并提高缓存局部性。数据淘汰策略如 LRU、TTL 和随机淘汰，帮助管理内存使用。

4. 持久化

Redis 提供了两种持久化机制：RDB（快照持久化）和 AOF（日志持久化），它们各自有不同的工作原理和适用场景。以下是对这两种机制的详细解析：

4.1. RDB (Redis Database Backup)

RDB 快照：定期将内存中的数据快照保存到磁盘，形成一个 RDB 文件。

• 工作原理: RDB 通过 fork 一个子进程来生成数据快照，并将快照保存到磁盘。主进程在此期间继续处理请求，不会被阻塞。
• 配置: 通过 save 指令配置快照策略，例如 save 900 1 表示在900秒内有1次修改时进行保存。
• 性能考虑: 使用写时复制（Copy-On-Write）技术，避免内存复制开销，确保主进程性能不受影响。
• 优缺点: 优点是文件紧凑，适合快速恢复；缺点是可能会丢失最近修改的数据。

4.2. AOF (Append Only File)

AOF 日志：记录每一个写操作，确保数据的持久化。

• 工作原理: AOF 通过追加日志文件记录每一次写操作，恢复时重新执行这些操作。
• 配置: 通过 appendfsync 选项控制同步频率，有 always、everysec 和 no 三个可选值。
• 文件重写: 定期重写 AOF 文件，生成只包含恢复数据所需最小操作的文件，减少文件大小。
• 优缺点: 优点是数据安全性高，缺点是文件较大且恢复速度较慢。

4.3. RDB 与 AOF 的结合使用

• 优先级: Redis 启动时优先加载 AOF 文件，若 AOF 文件不可用，则加载 RDB 文件。
• 数据一致性: 两者独立进行，但 Redis 会自动处理潜在的一致性问题。

4.4. 持久化与性能

• 影响: 过于频繁的持久化操作可能影响性能，需根据实际场景调整策略。
• 优化: 可通过调整配置或优化硬件（如使用更快的磁盘）来缓解性能压力。

5. Redis 高可用架构设计

Redis 的高可用性架构设计旨在确保系统在故障发生时仍能继续提供服务，通常通过复制、监控和自动故障转移机制来实现。

5.1. 主从复制（Master-Slave Replication）

• 基本原理：
  • 主节点（Master）处理读写请求，从节点（Slave）复制主节点的数据。
  • 从节点可以提供读扩展和数据冗余。
• 故障转移：
  • 手动故障转移：手动将从节点升级为主节点。
  • 自动故障转移：结合 Sentinel 实现自动故障检测和转移。
• 配置：
  • slaveof 命令配置从节点。
  • replica-serve-stale-data 控制从节点在连接不上主节点时的行为。

5.2. Sentinel（监控与自动故障转移）

• 功能：
  • 监控 Redis 实例的状态（主从节点）。
  • 检测故障并自动进行故障转移。
  • 通知客户端主节点变更。
• 配置：
  • 配置 Sentinel 节点，指定监控的主节点和从节点。
  • 设置 quorum 决定多少 Sentinel 节点同意才能进行故障转移。
  • down-after-milliseconds 等参数调整故障检测的敏感度。
• 工作流程：
  • Sentinel 定期检查 Redis 实例的心跳。
  • 当主节点故障时， Sentinel 选举一个从节点升级为主节点。
  • 其他从节点重新配置指向新的主节点。

5.3. Redis Cluster（集群模式）

• 高可用性：
  • 自动分片，数据分布在多个节点。
  • 每个节点有多个副本（从节点），支持自动故障转移。
• 数据分片：
  • 数据根据键的哈希值分布到 16384 个槽中。
  • 每个槽由一个主节点负责，可配置多个从节点。
• 故障转移：
  • 当主节点故障时，集群自动选择一个从节点升级为主节点。
  • 客户端需支持集群模式，以处理槽的重新分配。
• 配置与管理：
  • 使用 redis-cli --cluster 命令进行集群的创建和管理。
  • 配置 cluster-node-timeout 等参数调整集群行为。

6.Redis 缓存击穿、缓存雪崩、缓存穿透

在高并发场景下，缓存系统（如 Redis）可能会遇到缓存击穿、缓存雪崩和缓存穿透等问题。这些问题会导致数据库压力骤增，甚至引发系统崩溃。

对比

最佳实践

1. 合理设置缓存过期时间：
   • 避免缓存集中失效，设置随机过期时间。
2. 监控与报警：
   • 实时监控缓存命中率和数据库查询量，及时发现异常。
3. 限流与降级：
   • 在缓存失效时，通过限流和降级保护数据库。
4. 数据预热：
   • 提前加载热点数据到缓存中，避免冷启动问题。
5. 使用布隆过滤器：
   • 对于可能不存在的数据，使用布隆过滤器减少无效查询。