【後端面經-資料庫】Redis詳解——Redis基本概念和特點

• 1. Redis基本概念
• 2. Redis特點
  • 2.1 優點
  • 2.2 缺點
• 3. Redis的應用場景
• 面試模擬
• 參考資料

• Redis基本概念和特點
• Redis數據結構和底層數據類型
• Redis持久化（AOF和RDB）
• Redis集群和高可用性
• Redis緩存
• Redis分散式鎖
• Redis實現非同步隊列
• Redis運維問題

今天主要介紹的是Redis基本概念和特點。

1. Redis基本概念

最本質的，Redis是一個資料庫，作為一個資料庫，它和其他資料庫自然不會完全相同，如下是它的一些本質特性：

• C語言開發：這也是它高性能的一個重要原因；
• 基於key-value鍵值對存儲：鍵、值都有豐富的數據類型支持
• 數據存於記憶體中：這是訪問速度快的一個原因；
• 非關係型資料庫：NoSQL，之前所瞭解的MySQL是關係型資料庫的代表。
• 高性能：C語言開發+數據存於記憶體
• 開源

2. Redis特點

2.1 優點

Redis技術之所以被廣泛使用，是因為它具有很多優點，如下所示：

• 訪問速度快

  • 訪問速度快主要有四個原因：C語言開發+數據存於記憶體+單線程+非阻塞I/O多路復用；
  • 這也是它被web應用廣泛使用、在大廠技術中作為基礎的原因之一。

• 支持豐富的數據類型
  Redis基於鍵值對完成數據存儲，那麼對於鍵key、值value都有相對應的數據類型支持，如下所示：

  • 鍵key：只能是字元串類型
  • 值value：可支持豐富的數據類型，如下所示：
    • 五大基礎數據類型
      • 字元串（String）：最基礎的數據類型，可以是字元串、整數、浮點數、二進位數據。
        • 很常用的數據結構，存儲一般數據都會使用。
      • 列表（List）：存儲有序元素
        • 可在實現消息隊列中可使用。
      • 哈希表（Hash）：存儲鍵值對集合，也就是整體Redis存儲可實現鍵值對嵌套，從而提高數據存儲的靈活性。
        • 可存儲用戶信息等。
      • 集合（Set）：無序、不可重覆的元素。
        • 例如標簽tag、共同關註等數據信息，就可以使用集合來存儲。
      • 有序集合（Sorted Set）：可給每個元素設置權重，作為排序依據，同樣不可出現重覆元素，但是可以有順序。
        • 在實現排行榜功能中可使用。
    • 高級數據類型（瞭解即可）
      • 點陣圖（Bitmap）
      • HyperLogLog
      • 布隆過濾器
      • GeoHash
      • Pub/Sub
      • Stream

• 單線程

  • Redis是單線程的，這是它訪問速度快的一個重要原因，因為單線程不需要考慮線程安全問題，也不需要考慮上下文切換的問題，因此，它的訪問速度自然會快很多。
  • Redis單線程的一個重要原因：Redis的瓶頸不在於CPU，而是記憶體和網路帶寬，因此，單線程的Redis可以充分利用CPU的性能，從而提高訪問速度。
  • Redis4.0的時候，嘗試在主線程外開闢後臺線程，處理一些較為耗時的操作，如清理臟數據、斷開無用鏈接、刪除過期key等，但是這些操作都是在後臺線程中完成，不會影響主線程的訪問速度。
  • Redis6.0在某種程度上實現了多線程，使用多線程並行處理讀寫操作和協議分析，對於命令執行部分依然使用單線程保證訪問速度。
    • 這種多線程的方式提高了IO效率，解決了Redis性能限制的瓶頸之一。

• 非阻塞I/O多路復用

  • I/O多路復用指的是：在一個線程中，可以同時監聽多個文件描述符，一旦某個文件描述符就緒（可讀或可寫），就能夠通知程式進行相應的讀寫操作。這樣就不會出現“為了等待任意文件的I/O響應而阻塞主線程”。
  • 也許這時候你會問“不對啊，Redis不是單線程的嗎？”，是啊，這裡所說的多路復用，指的正是上文中Redis6.0使用多線程處理讀寫操作的技術部分。
  • I/O多路復用的實現方式主要有：select、poll、epoll.具體可參考此篇博客：【後端面經-Java】I/O多路復用 簡錄

• 支持持久化、分散式系統、事務、主從複製（集群）

  • 這些在後續的學習中都會具體詳細解釋

2.2 缺點

任何一個技術都不會是完美的，有優點就必然也存在缺點。——魯迅（：“我沒說過”）
Redis的缺點如下所示

• 瓶頸問題：記憶體和網路帶寬
  • 在分析Redis單線程原因的時候，我們已經提到過Redis的瓶頸問題，主要就是物理記憶體的容量大小和IO操作的帶寬限制。
  • 舉個例子：一個資料庫就像一個自由職業者，它的賺錢速度（效率）取決於接單速度和完工速度，而Redis就像一個完工速度非常快的自由職業者（訪問速度快），且面對著海量的請求，因此，它的技術瓶頸就在於接單速度（IO操作帶寬）。不僅如此，它完工速度快是因為把所有東西都堆在房間（記憶體）裡面，因此，它也同樣受限於物理房間的大小（物理記憶體容量）。
• 不具備自動容錯/恢復的能力
  • 主機從機的宕機都會導致前端部分讀寫請求失敗，需要等待機器重啟或者手動切換前端的IP才能恢復。
• 線上擴容難度高
  • 集群容量在後續維護中很難擴容，因此一開始就需要根據使用規模預備合適的容量空間。

3. Redis的應用場景

Redis是Web應用的常用中間件，它的應用場景非常廣泛，如下所示：

• 緩存
  • Redis作為客戶端和伺服器資料庫之間的緩存數據，可以有效減少資料庫的訪問壓力，提高訪問速度。
  • 結構圖如下所示：
    
• 分散式鎖
  • Redis可實現分散式鎖，解決分散式系統中的併發問題。
• 簡單消息隊列
  • Redis提供發佈訂閱功能和阻塞隊列功能，可以滿足一般消息隊列功能。
• 網路流量管理
  • 計數器
    • 天然支持，可記錄瀏覽量、點贊了
  • 排行榜
    • Redis中的列表、有序集合可以用於構建排行榜
  • 社交網路
    • 各類數據之間的關聯，贊踩比例、共同好友、共同愛好等等可以使用Redis實現。

面試模擬

Q：Redis、記憶體、磁碟的區別，為什麼快為什麼慢？
A：Redis是記憶體資料庫，記憶體是電腦中最快的存儲介質，磁碟是最慢的存儲介質。Redis快速是因為它將數據存於記憶體之後，而記憶體訪問可以直接傳輸到CPU中，磁碟訪問則需要通過IO操作先將數據寫入記憶體空間之後然後再傳入CPU中。

Q：Redis的資料庫類型、存儲結構如何？如何實現排行榜功能
A：Redis屬於NoSQL資料庫，它的存儲結構是鍵值對，其中鍵的數據類型只支持字元串，而值可以支持豐富的數據類型，包括列表、有序集合、集合、哈希表、字元串等等，通過列表、有序集合等數據結構實現排行榜功能。

Q：Redis是單線程還是單進程？哪些模塊是單線程？
A：Redis執行指令的相關模塊是單線程，6.0之後，關於網路IO的處理則轉為多線程，使用非阻塞IO多路復用提高IO效率

參考資料

1. Redis教程 - Redis知識體系詳解
2. 三萬字+八十圖，詳解Redis五十二問！太全面了!
3. 媽媽再也不擔心我面試被Redis問得臉都綠了