【经验帖】为什么分布式一定要有Redis?

作者：孤独烟 2018-06-05 09:14:42

开源

分布式

Redis 考虑到绝大部分写业务的程序员，在实际开发中使用 Redis 的时候，只会 Set Value 和 Get Value 两个操作，对 Redis 整体缺乏一个认知。

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考虑到绝大部分写业务的程序员，在实际开发中使用 Redis 的时候，只会 Set Value 和 Get Value 两个操作，对 Redis 整体缺乏一个认知。

所以我斗胆以 Redis 为题材，对 Redis 常见问题做一个总结，希望能够弥补大家的知识盲点。

本文围绕以下几点进行阐述：

• 为什么使用 Redis
• 使用 Redis 有什么缺点
• 单线程的 Redis 为什么这么快
• Redis 的数据类型，以及每种数据类型的使用场景
• Redis 的过期策略以及内存淘汰机制
• Redis 和数据库双写一致性问题
• 如何应对缓存穿透和缓存雪崩问题
• 如何解决 Redis 的并发竞争 Key 问题

为什么使用 Redis

我觉得在项目中使用 Redis，主要是从两个角度去考虑：性能和并发。

当然，Redis 还具备可以做分布式锁等其他功能，但是如果只是为了分布式锁这些其他功能，完全还有其他中间件，如 Zookeeper等代替，并不是非要使用 Redis。因此，这个问题主要从性能和并发两个角度去答。

性能

如下图所示，我们在碰到需要执行耗时特别久，且结果不频繁变动的 SQL，就特别适合将运行结果放入缓存。这样，后面的请求就去缓存中读取，使得请求能够迅速响应。

题外话：忽然想聊一下这个迅速响应的标准。根据交互效果的不同，这个响应时间没有固定标准。

不过曾经有人这么告诉我："在理想状态下，我们的页面跳转需要在瞬间解决，对于页内操作则需要在刹那间解决。

另外，超过一弹指的耗时操作要有进度提示，并且可以随时中止或取消，这样才能给用户***的体验。"

那么瞬间、刹那、一弹指具体是多少时间呢？

根据《摩诃僧祗律》记载：

一刹那者为一念，二十念为一瞬，二十瞬为一弹指，二十弹指为一罗预，二十罗预为一须臾，一日一夜有三十须臾。

那么，经过周密的计算，一瞬间为 0.36 秒、一刹那有 0.018 秒、一弹指长达 7.2 秒。

并发

如下图所示，在大并发的情况下，所有的请求直接访问数据库，数据库会出现连接异常。

这个时候，就需要使用 Redis 做一个缓冲操作，让请求先访问到 Redis，而不是直接访问数据库。

使用 Redis 有什么缺点

大家用 Redis 这么久，这个问题是必须要了解的，基本上使用 Redis 都会碰到一些问题，常见的也就几个。

回答主要是四个问题：

缓存和数据库双写一致性问题

• 缓存雪崩问题
• 缓存击穿问题
• 缓存的并发竞争问题
• 这四个问题，我个人觉得在项目中是常遇见的，具体解决方案，后文给出。

单线程的 Redis 为什么这么快

这个问题是对 Redis 内部机制的一个考察。根据我的面试经验，很多人都不知道 Redis 是单线程工作模型。所以，这个问题还是应该要复习一下的。

回答主要是以下三点：

• 纯内存操作
• 单线程操作，避免了频繁的上下文切换
• 采用了非阻塞 I/O 多路复用机制

题外话：我们现在要仔细的说一说 I/O 多路复用机制，因为这个说法实在是太通俗了，通俗到一般人都不懂是什么意思。

打一个比方：小曲在 S 城开了一家快递店，负责同城快送服务。小曲因为资金限制，雇佣了一批快递员，然后小曲发现资金不够了，只够买一辆车送快递。

经营方式一

客户每送来一份快递，小曲就让一个快递员盯着，然后快递员开车去送快递。

慢慢的小曲就发现了这种经营方式存在下述问题：

• 几十个快递员基本上时间都花在了抢车上了，大部分快递员都处在闲置状态，谁抢到了车，谁就能去送快递。
• 随着快递的增多，快递员也越来越多，小曲发现快递店里越来越挤，没办法雇佣新的快递员了。
• 快递员之间的协调很花时间。

综合上述缺点，小曲痛定思痛，提出了下面的经营方式。

经营方式二

小曲只雇佣一个快递员。然后呢，客户送来的快递，小曲按送达地点标注好，然后依次放在一个地方。

***，那个快递员依次的去取快递，一次拿一个，然后开着车去送快递，送好了就回来拿下一个快递。

上述两种经营方式对比，是不是明显觉得第二种，效率更高，更好呢？

在上述比喻中：

• 每个快递员→每个线程
• 每个快递→每个 Socket(I/O 流)
• 快递的送达地点→Socket 的不同状态
• 客户送快递请求→来自客户端的请求
• 小曲的经营方式→服务端运行的代码
• 一辆车→CPU 的核数

于是我们有如下结论：

• 经营方式一就是传统的并发模型，每个 I/O 流(快递)都有一个新的线程(快递员)管理。
• 经营方式二就是 I/O 多路复用。只有单个线程(一个快递员)，通过跟踪每个 I/O 流的状态(每个快递的送达地点)，来管理多个 I/O 流。

下面类比到真实的 Redis 线程模型，如图所示：

简单来说，就是我们的 redis-client 在操作的时候，会产生具有不同事件类型的 Socket。

在服务端，有一段 I/O 多路复用程序，将其置入队列之中。然后，文件事件分派器，依次去队列中取，转发到不同的事件处理器中。

需要说明的是，这个 I/O 多路复用机制，Redis 还提供了 select、epoll、evport、kqueue 等多路复用函数库，大家可以自行去了解。

Redis 的数据类型，以及每种数据类型的使用场景

是不是觉得这个问题很基础？我也这么觉得。然而根据面试经验发现，至少百分之八十的人答不上这个问题。

建议，在项目中用到后，再类比记忆，体会更深，不要硬记。基本上，一个合格的程序员，五种类型都会用到。

String

这个没啥好说的，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。

Hash

这里 Value 存放的是结构化的对象，比较方便的就是操作其中的某个字段。

我在做单点登录的时候，就是用这种数据结构存储用户信息，以 CookieId 作为 Key，设置 30 分钟为缓存过期时间，能很好的模拟出类似 Session 的效果。

List

使用 List 的数据结构，可以做简单的消息队列的功能。另外还有一个就是，可以利用 lrange 命令，做基于 Redis 的分页功能，性能***，用户体验好。

Set

因为 Set 堆放的是一堆不重复值的集合。所以可以做全局去重的功能。为什么不用 JVM 自带的 Set 进行去重？

因为我们的系统一般都是集群部署，使用 JVM 自带的 Set，比较麻烦，难道为了一个做一个全局去重，再起一个公共服务，太麻烦了。

另外，就是利用交集、并集、差集等操作，可以计算共同喜好，全部的喜好，自己独有的喜好等功能。

Sorted Set

Sorted Set多了一个权重参数 Score，集合中的元素能够按 Score 进行排列。

可以做排行榜应用，取 TOP N 操作。Sorted Set 可以用来做延时任务。***一个应用就是可以做范围查找。

Redis 的过期策略以及内存淘汰机制

这个问题相当重要，到底 Redis 有没用到家，这个问题就可以看出来。

比如你 Redis 只能存 5G 数据，可是你写了 10G，那会删 5G 的数据。怎么删的，这个问题思考过么？

还有，你的数据已经设置了过期时间，但是时间到了，内存占用率还是比较高，有思考过原因么?

回答：Redis 采用的是定期删除+惰性删除策略。

为什么不用定时删除策略

定时删除，用一个定时器来负责监视 Key，过期则自动删除。虽然内存及时释放，但是十分消耗 CPU 资源。

在大并发请求下，CPU 要将时间应用在处理请求，而不是删除 Key，因此没有采用这一策略。

定期删除+惰性删除是如何工作

定期删除，Redis 默认每个 100ms 检查，是否有过期的 Key，有过期 Key 则删除。

需要说明的是，Redis 不是每个 100ms 将所有的 Key 检查一次，而是随机抽取进行检查(如果每隔 100ms，全部 Key 进行检查，Redis 岂不是卡死)。

因此，如果只采用定期删除策略，会导致很多 Key 到时间没有删除。于是，惰性删除派上用场。

也就是说在你获取某个 Key 的时候，Redis 会检查一下，这个 Key 如果设置了过期时间，那么是否过期了？如果过期了此时就会删除。

采用定期删除+惰性删除就没其他问题了么?

不是的，如果定期删除没删除 Key。然后你也没即时去请求 Key，也就是说惰性删除也没生效。这样，Redis的内存会越来越高。那么就应该采用内存淘汰机制。

在 redis.conf 中有一行配置：

  
 
 
 

   
  
  
  
# maxmemory-policy volatile-lru 
  
 
 
 

该配置就是配内存淘汰策略的(什么，你没配过？好好反省一下自己)：

• noeviction：当内存不足以容纳新写入数据时，新写入操作会报错。应该没人用吧。
• allkeys-lru：当内存不足以容纳新写入数据时，在键空间中，移除最近最少使用的 Key。推荐使用，目前项目在用这种。
• allkeys-random：当内存不足以容纳新写入数据时，在键空间中，随机移除某个 Key。应该也没人用吧，你不删最少使用 Key，去随机删。
• volatile-lru：当内存不足以容纳新写入数据时，在设置了过期时间的键空间中，移除最近最少使用的 Key。这种情况一般是把 Redis 既当缓存，又做持久化存储的时候才用。不推荐。
• volatile-random：当内存不足以容纳新写入数据时，在设置了过期时间的键空间中，随机移除某个 Key。依然不推荐。
• volatile-ttl：当内存不足以容纳新写入数据时，在设置了过期时间的键空间中，有更早过期时间的 Key 优先移除。不推荐。

PS：如果没有设置 expire 的 Key，不满足先决条件(prerequisites)；那么 volatile-lru，volatile-random 和 volatile-ttl 策略的行为，和 noeviction(不删除) 基本上一致。

Redis 和数据库双写一致性问题

一致性问题是分布式常见问题，还可以再分为最终一致性和强一致性。数据库和缓存双写，就必然会存在不一致的问题。

答这个问题，先明白一个前提。就是如果对数据有强一致性要求，不能放缓存。我们所做的一切，只能保证最终一致性。

另外，我们所做的方案从根本上来说，只能说降低不一致发生的概率，无法完全避免。因此，有强一致性要求的数据，不能放缓存。

回答：首先，采取正确更新策略，先更新数据库，再删缓存。其次，因为可能存在删除缓存失败的问题，提供一个补偿措施即可，例如利用消息队列。

如何应对缓存穿透和缓存雪崩问题

这两个问题，说句实在话，一般中小型传统软件企业，很难碰到这个问题。如果有大并发的项目，流量有几百万左右。这两个问题一定要深刻考虑。

缓存穿透，即黑客故意去请求缓存中不存在的数据，导致所有的请求都怼到数据库上，从而数据库连接异常。

缓存穿透解决方案：

• 利用互斥锁，缓存失效的时候，先去获得锁，得到锁了，再去请求数据库。没得到锁，则休眠一段时间重试。
• 采用异步更新策略，无论 Key 是否取到值，都直接返回。Value 值中维护一个缓存失效时间，缓存如果过期，异步起一个线程去读数据库，更新缓存。需要做缓存预热(项目启动前，先加载缓存)操作。
• 提供一个能迅速判断请求是否有效的拦截机制，比如，利用布隆过滤器，内部维护一系列合法有效的 Key。迅速判断出，请求所携带的 Key 是否合法有效。如果不合法，则直接返回。

缓存雪崩，即缓存同一时间大面积的失效，这个时候又来了一波请求，结果请求都怼到数据库上，从而导致数据库连接异常。

缓存雪崩解决方案：

• 给缓存的失效时间，加上一个随机值，避免集体失效。
• 使用互斥锁，但是该方案吞吐量明显下降了。
• 双缓存。我们有两个缓存，缓存 A 和缓存 B。缓存 A 的失效时间为 20 分钟，缓存 B 不设失效时间。自己做缓存预热操作。

然后细分以下几个小点：从缓存 A 读数据库，有则直接返回；A 没有数据，直接从 B 读数据，直接返回，并且异步启动一个更新线程，更新线程同时更新缓存 A 和缓存 B。

如何解决 Redis 的并发竞争 Key 问题

这个问题大致就是，同时有多个子系统去 Set 一个 Key。这个时候大家思考过要注意什么呢？

需要说明一下，我提前百度了一下，发现答案基本都是推荐用 Redis 事务机制。

我并不推荐使用 Redis 的事务机制。因为我们的生产环境，基本都是 Redis 集群环境，做了数据分片操作。

你一个事务中有涉及到多个 Key 操作的时候，这多个 Key 不一定都存储在同一个 redis-server 上。因此，Redis 的事务机制，十分鸡肋。

如果对这个 Key 操作，不要求顺序

这种情况下，准备一个分布式锁，大家去抢锁，抢到锁就做 set 操作即可，比较简单。

如果对这个 Key 操作，要求顺序

假设有一个 key1，系统 A 需要将 key1 设置为 valueA，系统 B 需要将 key1 设置为 valueB，系统 C 需要将 key1 设置为 valueC。

期望按照 key1 的 value 值按照 valueA > valueB > valueC 的顺序变化。这种时候我们在数据写入数据库的时候，需要保存一个时间戳。

假设时间戳如下：

• 系统A key 1 {valueA  3:00}
• 系统B key 1 {valueB  3:05}
• 系统C key 1 {valueC  3:10}

那么，假设这会系统 B 先抢到锁，将 key1 设置为{valueB 3:05}。接下来系统 A 抢到锁，发现自己的 valueA 的时间戳早于缓存中的时间戳，那就不做 set 操作了，以此类推。

其他方法，比如利用队列，将 set 方法变成串行访问也可以。总之，灵活变通。

总结

本文对 Redis 的常见问题做了一个总结。大部分是自己在工作中遇到，以及之前面试别人的时候，爱问的一些问题。

另外，不推荐大家临时抱佛脚，真正碰到一些有经验的工程师，其实几下就能把你问懵。***，希望大家有所收获吧。

文章名称：【经验帖】为什么分布式一定要有Redis?
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