面经 | Redis常见面试题

Posted 2022-11-29 结构化思维wz

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了面经 | Redis常见面试题相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

Redis 常见面试题

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Redis 常见面试题

简单来说 Redis 就是一个使用 C 语言开发的数据库，不过与传统数据库不同的是 Redis 的数据是存在内存中的，也就是它是内存数据库，所以读写速度非常快，因此 Redis 被广泛应用于缓存方向。

常用命令

# 查看所有符合条件的key
keys [pattern]
keys h?llo

# 删除key
del key [key ...]

# 检查是否存在
exists key

# 给key设置超时时间
#秒级：
expire key 5
#毫秒级：
pexpire key 5

#查看key的剩余时间
ttl key
pttl key

# 返回存储类型
type key

数据结构

String

最常规的set/get操作，value可以是String也可以是数字。一般做一些复杂的计数功能的缓存。

介绍

string 数据结构是简单的 key-value 类型。虽然 Redis 是用 C 语言写的，但是 Redis并没有使用 C 的字符串表示，而是自己构建了一种 简单动态字符串（simple dynamic string，SDS）。相比于 C 的原生字符串，Redis 的 SDS 不光可以保存文本数据还可以保存二进制数据，并且获取字符串⻓度复杂度为 O(1)（C 字符串为 O(N)),除此之外,Redis 的SDS API 是安全的，不会造成缓冲区溢出。

常用命令:

set：

set key value [ex seconds] [px milliseconds] [nx|xx]

#设置键为Hello，值为World的键值对
set Hello World

# set命令有几个选项：
ex seconds：为键设置秒级过期时间。
px milliseconds：为键设置毫秒级过期时间。
nx：键必须不存在，才可以设置成功，用于添加。
xx：与nx相反，键必须存在，才可以设置成功，用于更新。

#批量设置
mset key1 value1 [key2 value2..... ]

get:

get key

#获取键为Hello的值
get Hello

#批量获取
mget key [key2....]

应用场景

字符串可以说是Redis应用最广泛的数据结构，我们来看一下在实际的开发中一些典型的应用场景。

缓存
计数

许多应用都会使用Redis作为计数的基础工具，它可以实现快速计数、查询缓存的功能，同时数据可以异步落地到其他数据源。例如记录文章的阅读次数。
共享Session
分布式锁

利用setnx命令可以实现分布式锁，由于Redis的单线程命令处理机制，如果有多个客户端同时执行setnx key value，根据setnx的特性只有一个客户端能设置成功，所以setnx可以作为分布式锁的一种实现方案。

哈希

Redis 的字典和 Java 语言里面的 HashMap类似。在Redis中，哈希类型是指键值本身又是一个键值对结构，形如value=field1，value1，…fieldN，valueN

常用命令

hset：

hset key field value

#key为 user1的一组hash
hset user1 name wz

hget:

hget key field

hget user1 naem

hdel

#删除 field
hdel key field[field...]

hdel user1 name

应用场景：

存储对象

hash的filed-value的结构非常适合用来存储对象，field用来存储属性名称，value用来存储属性值。在一些客户端里也提供了json序列化器。

List

Redis 的列表类似于 Java 语言里面的 LinkedList，同样地list 的插入和删除操作非常快，时间复杂度为 O(1)，但是索引定位很慢，时间复杂度为O(n)。

常用操作：

操作类型	操作
添加	rpush lpush linsert
查找	lrange lindex llen
删除	lpop rpop lren ltrim
修改	lset
阻塞操作	blpop brpop

添加

#从右边插入
rpush key value[value....]

# 从左边插入
lpush key value[value.....]

#向某个元素(pivot)前或者后插入元素
linsert key before|after pivot value

查找

#查找指定范围内的元素
lrange key start end

#获取指定下标的元素
lindex key index

#列表长度
llen key

删除

#从左侧弹出元素
lpop key

#从右侧弹出元素
rpop key

#删除指定元素
lrem key count value

#修改
lset key index newValue

#阻塞形式弹出
blpop key[key....] timeout
brpop key[key....] timeout

应用场景：

消息队列
list可以灵活组合，在不同的场景使用，总结如下：
- lpush+lpop=Stack（栈）
- lpush+rpop=Queue（队列）
- lpsh+ltrim=Capped Collection（有限集合）
- lpush+brpop=Message Queue（消息队列）

Set

集合类似Java语言中的HashSet，集合中不允许有重复元素，并且集合中的元素是无序的，不能通过索引下标获取元素。

常用操作：

添加

sadd key element[element...]

删除

srem key element[element....]

从集合中随机弹出

spop key

集合的操作

#交集
sinter key[key....]

#并集
suinon key [key...]

#差集
sdiff key [key...]

应用场景：

标签

集合类型比较典型的使用场景是标签（tag）。例如一个用户可能对娱乐、体育比较感兴趣，另一个用户可能对历史、新闻比较感兴趣，这些兴趣点就是标签。有了这些数据就可以得到喜欢同一个标签的人，以及用户的共同喜好的标签，这些数据对于用户体验以及增强用户黏度比较重要。
共同关注

Zset 有序集合

zset 可能是 Redis 提供的最为特色的数据结构，它类似于 Java 的 SortedSet 和 HashMap 的结合体，一方面它是一个 set，保证了内部value 的唯一性，另一方面它可以给每个 value 赋予一个 score，代表这个 value 的排序权重。

相比于set增加了一个权重score，底层使用跳表

常用命令：

增

zadd key score member [score member...]

zadd user:rank 5 吴老狗

计算

#计算排名
zrank key member

#计算成员个数
zcard key member

#删除成员
zrem key member

应用场景：

可以用于统计博客、视频网站等作品的点赞数，可以根据点赞数对作品进行排行。

持久化机制

持久化就是把内存的数据写到磁盘中，防止服务宕机导致内存数据丢失。

RDB快照

将某一个时刻的内存数据，以二进制的方式写入磁盘。

RDB是 Redis 默认的持久化方案。RDB持久化时会将内存中的数据写入到磁盘中，在指定目录下生成一个dump.rdb文件。Redis 重启会加载dump.rdb文件恢复数据。

bgsave是主流的触发 RDB 持久化的方式，执行过程如下：

Redis启动时会读取RDB快照文件，将数据从硬盘载入内存。通过 RDB 方式的持久化，一旦Redis异常退出，就会丢失最近一次持久化以后更改的数据。

触发持久化的方式：

手动触发： 用户执行save或bgsave命令。save命令会阻塞所有客户端的请求，bgsave异步进行快照操作。
被动触发：
- 根据规则进行自动快照， bgsave 100 10(100秒内至少10个键被修改则触发快照)
- 从节点进行全量复制操作，主节点会自动执行bgsave生成RDB文件发给从节点。
- 默认情况下执行shutdown命令时，如果没有开启AOF持久化功能，自动执行bgsvae

优缺点：

Redis 加载 RDB 恢复数据远远快于 AOF 的方式。
使用单独子进程来进行持久化，主进程不会进行任何 IO 操作，保证了 Redis 的高性能。
RDB方式数据无法做到实时持久化。因为BGSAVE每次运行都要执行fork操作创建子进程，属于重量级操作，频繁执行成本比较高。
RDB 文件使用特定二进制格式保存，Redis 版本升级过程中有多个格式的 RDB 版本，存在老版本 Redis 无法兼容新版 RDB 格式的问题。

AOF

类似于MySQL的binlog

AOF（append only file）持久化：以独立日志的方式记录每次写命令，Redis重启时会重新执行AOF文件中的命令达到恢复数据的目的。AOF的主要作用是解决了数据持久化的实时性，AOF 是Redis持久化的主流方式。

默认情况下Redis没有开启AOF方式的持久化，可以通过appendonly参数启用：appendonly yes。开启AOF方式持久化后每执行一条写命令，Redis就会将该命令写进aof_buf缓冲区，AOF缓冲区根据对应的策略向硬盘做同步操作。

默认情况下系统每30秒会执行一次同步操作。为了防止缓冲区数据丢失，可以在Redis写入AOF文件后主动要求系统将缓冲区数据同步到硬盘上。可以通过appendfsync参数设置同步的时机。

appendfsync always //每次写入aof文件都会执行同步，最安全最慢，不建议配置
appendfsync everysec  //既保证性能也保证安全，建议配置
appendfsync no //由操作系统决定何时进行同步操作

注意事项：

所有的写入命令会追加到 AOP 缓冲区中。
AOF 缓冲区根据对应的策略向硬盘同步。
随着 AOF 文件越来越大，需要定期对 AOF 文件进行重写，达到压缩文件体积的目的。AOF文件重写是把Redis进程内的数据转化为写命令同步到新AOF文件的过程。
当 Redis 服务器重启时，可以加载 AOF 文件进行数据恢复。

优缺点：

优点：

AOF可以更好的保护数据不丢失，可以配置 AOF 每秒执行一次fsync操作，如果Redis进程挂掉，最多丢失1秒的数据。
AOF以append-only的模式写入，所以没有磁盘寻址的开销，写入性能非常高。

缺点：

对于同一份文件AOF文件比RDB数据快照要大。
数据恢复比较慢。

混合使用

在 Redis 4.0 后，增加了 AOF 和 RDB 混合的数据持久化机制： 把数据以 RDB 的方式写入文件，再将后续的操作命令以 AOF 的格式存入文件，既保证了 Redis 重启速度，又降低数据丢失风险。

Redis为什么要线执行命令，在把数据写入日志？

主要是由于Redis在写入日志之前，不对命令进行语法检查，所以只记录执行成功的命令，避免出现记录错误命令的情况，而且在命令执行后再写日志不会阻塞当前的写操作。

那写后日志有什么风险呢？

数据可能会丢失：如果 Redis 刚执行完命令，此时发生故障宕机，会导致这条命令存在丢失的风险。
可能阻塞其他操作：AOF 日志其实也是在主线程中执行，所以当 Redis 把日志文件写入磁盘的时候，还是会阻塞后续的操作无法执行。

缓存问题

常用的分布式缓存Redis单机并发量能达到万级，常用的关系型数据库mysql一般并发量是千级，他们支持的并发量可能差十倍，所以要尽可能把流量拦截在缓存层。

缓存击穿

一个并发访问量比较大的key在某个时间过期，导致所有的请求直接打在DB上。

解决方案：

让热点数据永不失效，或者快要过期时，设置一个守护线程为该数据重新设置过期时间
加锁更新，如果查询缓存发现不存在，加锁，让其他线程等待，只让一个线程去更新缓存。

缓存穿透

缓存穿透指的查询缓存和数据库中都不存在的数据，这样每次请求直接打到数据库，就好像缓存不存在一样。

解决方案：

缓存空值/默认值
使用布隆过滤器

布隆过滤器里会保存数据是否存在，如果判断数据不不能再，就不会访问存储。

缓存雪崩

指大量缓存数据在同一时刻失效，使这些访问都直接访问数据库，使数据库崩溃。

解决方案：

提高缓存可用性

集群部署：通过集群来提升缓存的可用性，可以利用Redis本身的Redis Cluster或者第三方集群方案如Codis等。
多级缓存：设置多级缓存，第一级缓存失效的基础上，访问二级缓存，每一级缓存的失效时间都不同。

过期时间

均匀过期：为了避免大量的缓存在同一时间过期，可以把不同的 key 过期时间随机生成，避免过期时间太过集中。
热点数据永不过期。

熔断降级

服务熔断：当缓存服务器宕机或超时响应时，为了防止整个系统出现雪崩，暂时停止业务服务访问缓存系统。
服务降级：当出现大量缓存失效，而且处在高并发高负荷的情况下，在业务系统内部暂时舍弃对一些非核心的接口和数据的请求，而直接返回一个提前准备好的 fallback（退路）错误处理信息。

数据一致性问题

缓存和数据库的强一致性无法实现！

一致性问题

如果采用先更新数据库，再删除缓存的方式，我们更新数据库成功，接下来还没来删除缓存，或者删除缓存失败怎么办？

解决方案：

延迟双删

先删除缓存，再更新数据库，休眠一定时间，再删除缓存。

休眠的目的：确保读请求结束，写请求可以删除读请求造成的缓存脏数据。
弊端：这样最差的情况就是在超时时间内数据存在不一致，而且又增加了写请求的耗时。

异步更新缓存(基于订阅binlog的同步机制)

读redis当中的数据，mysql负责增删改操作，然后利用消息队列异步更新Redis当中的缓存。

一旦mysql当中的进行了增删改的操作之后，就会记录到binlog当中，就可以把binlog相关的消息推送至Redis，Redis再根据binlog中的记录，对Redis进行更新。

单线程问题

Redis的单线程指的是执行命令时的单线程

单线程为什么还这么快？

通常来讲，单线程处理能力要比多线程差，那么为什么Redis使用单线程模型会达到每秒万级别的处理能力呢？

纯内存访问
非阻塞I/O，Redis使用epoll作为I/O多路复用技术的实现，再加上Redis自身的时间处理模型将epoll中的连接、读写、关闭都转为事件，不在网络 I/O 上浪费过多的时间。

IO多路复用：

引用知乎上一个高赞的回答来解释什么是I/O多路复用。假设你是一个老师，让30个学生解答一道题目，然后检查学生做的是否正确，你有下面几个选择：

第一种选择：按顺序逐个检查，先检查A，然后是B，之后是C、D。。。这中间如果有一个学生卡主，全班都会被耽误。这种模式就好比，你用循环挨个处理socket，根本不具有并发能力。
第二种选择：你创建30个分身，每个分身检查一个学生的答案是否正确。这种类似于为每一个用户创建一个进程或者线程处理连接。
第三种选择，你站在讲台上等，谁解答完谁举手。这时C、D举手，表示他们解答问题完毕，你下去依次检查C、D的答案，然后继续回到讲台上等。此时E、A又举手，然后去处理E和A。

第一种就是阻塞IO模型，第三种就是I/O复用模型，Linux下的select、poll和epoll就是干这个的。将用户socket对应的fd注册进epoll，然后epoll帮你监听哪些socket上有消息到达，这样就避免了大量的无用操作。此时的socket应该采用非阻塞模式。

单线程也会有一个问题：对于每个命令的执行时间是有要求的。如果某个命令执行过长，会造成其他命令的阻塞，对于Redis这种高性能的服务来说是致命的，所以Redis是面向快速执行场景的数据库。

Redis6.0引入了多线程的特性，这个多线程是在哪里呢？——「是对处理网络请求过程采用了多线程」。

集群问题

主从复制

将从前的一台 Redis 服务器，同步数据到多台从 Redis 服务器上，即一主多从的模式，这个跟MySQL主从复制的原理一样。

哨兵模式

使用 Redis 主从服务的时候，会有一个问题，就是当 Redis 的主从服务器出现故障宕机时，需要手动进行恢复，为了解决这个问题，Redis 增加了哨兵模式（因为哨兵模式做到了可以监控主从服务器，并且提供自动容灾恢复的功能）。

Redis集群

Redis Cluster 是一种分布式去中心化的运行模式，是在 Redis 3.0 版本中推出的 Redis 集群方案，它将数据分布在不同的服务器上，以此来降低系统对单主节点的依赖，从而提高 Redis 服务的读写性能。

❓为什么需要使用集群？哨兵还差点什么呢？

哨兵模式归根节点还是主从模式，在主从模式下我们可以通过增加salve节点来扩展读并发能力，但是没办法扩展写能力和存储能力，存储能力只能是master节点能够承载的上限。所以为了扩展写能力和存储能力，我们就需要引入集群模式。

集群中那么多Master节点，redis cluster在存储的时候如何确定选择哪个节点呢？

Redis Cluster采用的是类一致性哈希算法实现节点选择的。

事务问题

Redis 事务的原理是将一个事务范围内的若干命令发送给Redis。然后再让Redis依次执行这些命令。

事务的生命周期：

使用 MULTI 开启一个事务
在开启事务的时候，每次操作的命令将会呗插入到一个队列中，同时这个命令并不会被真正的执行；
EXEC 命令进行提交事务

一个事务范围内某个命令出错不会影响其他命令的执行，不保证原子性
discard：取消事务
watch：监视

如何保证原子性

使用Lua脚本可以保证事务的原子性。

Redis 通过 LUA 脚本创建具有原子性的命令：当lua脚本命令正在运行的时候，不会有其他脚本或 Redis 命令被执行，实现组合命令的原子操作。

在Redis中执行Lua脚本有两种方法：eval和evalsha。eval命令使用内置的 Lua 解释器，对 Lua 脚本进行求值。

# 第一个参数是lua脚本，第二个参数是键名参数个数，剩下的是键名参数和附加参数
> eval "return KEYS[1],KEYS[2],ARGV[1],ARGV[2]" 2 key1 key2 first second
1) "key1"
2) "key2"
3) "first"
4) "second"

lua脚本作用

1、Lua脚本在Redis中是原子执行的，执行过程中间不会插入其他命令。

2、Lua脚本可以将多条命令一次性打包，有效地减少网络开销。

Redis事务为什么不能回滚

总结起来主要就是 3 个原因：

Redis 作者认为发生事务回滚的原因大部分都是程序错误导致，这种情况一般发生在开发和测试阶段，而生产环境很少出现。
对于逻辑性错误，比如本来应该把一个数加 1 ，但是程序逻辑写成了加 2，那么这种错误也是无法通过事务回滚来进行解决的。
Redis 追求的是简单高效，而传统事务的实现相对比较复杂，这和 Redis 的设计思想相违背。

分布式锁问题

分布式锁的常用实现方式

布式锁需要满足谁申请谁释放原则，不能释放别人的锁，也就是说，分布式锁，是要有归属的。

set lock key nx ex 3;
检查是否存在，不存在才能加锁并且设置超时时间

问题：执行完毕后，检查锁，再释放，这些操作不是原子化的。可能锁获取时还是自己的，删除时却已经是别人的了。这可怎么办呢？

有了Lua的特性，Redis才真正在分布式锁、秒杀等场景，有了用武之地，下面便是改造之后的流程：

集群处理分布式锁

前面我们谈及的内容，基本是基于单机考虑的，如果Redis挂掉了，那锁就不能获取了。这个问题该如何解决呢？

主从容灾

最简单的一种方式，就是为Redis配置从节点，当主节点挂了，用从节点顶包。(但是主从切换需要人工参与，可以使用哨兵模式灵活自动切换。)

这种方式由于同步有延迟，可能导致丢掉一部分数据，分布式锁可能失效。
多机部署（假设集群中有五个主节点）
- 向5个Redis申请加锁
- 只要超过一半，那么就是获取锁成功，如果超过一半失败，需要向每一个Redis发送解锁命令。
- 由于向5个Redis发送请求，会有一定耗时，所以锁剩余持有时间，需要减去请求时间。这个可以作为判断依据，如果剩余时间已经为0，那么也是获取锁失败。
- 使用完成之后，向5个Redis发送解锁请求。

其他问题

Redis为什么这么快

基于内存：Redis是使用内存存储，没有磁盘IO上的开销。数据存在内存中，读写速度快。
单线程实现（ Redis 6.0以前）：Redis使用单个线程处理请求，避免了多个线程之间线程切换和锁资源争用的开销。
IO多路复用模型：Redis 采用 IO 多路复用技术。Redis 使用单线程来轮询描述符，将数据库的操作都转换成了事件，不在网络I/O上浪费过多的时间。
高效的数据结构：Redis 每种数据类型底层都做了优化，目的就是为了追求更快的速度。