-? ? ? 01、不一樣的Redis? ? -

提到Redis，大家一定會(huì)想到的幾個(gè)點(diǎn)是什么呢？

高并發(fā)、KV存儲(chǔ)、內(nèi)存數(shù)據(jù)庫、豐富的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、單線程（版本6之前）等。

那么，接下來，上面提到的這些，都會(huì)一一給大家解答，帶大家系統(tǒng)剖析一下Redis的架構(gòu)設(shè)計(jì)魅力！

-? ? ? 02、為什么會(huì)出現(xiàn)緩存？? ? -

一般情況下，數(shù)據(jù)都是在數(shù)據(jù)庫中，應(yīng)用系統(tǒng)直接操作數(shù)據(jù)庫。當(dāng)訪問量上萬，數(shù)據(jù)庫壓力增大，這個(gè)時(shí)候，怎么辦呢？

有小伙伴會(huì)說，分庫分表、讀寫分離。的確，這些確實(shí)是解決比較高的訪問量的解決辦法，但是，如果訪問量更大，10萬，100萬呢？怎么分似乎都不解決問題吧，所以我們需要用到其他辦法，來解決高并發(fā)帶來的數(shù)據(jù)庫壓力。

這個(gè)時(shí)候，緩存出現(xiàn)了，顧名思義，就是先把數(shù)據(jù)緩存在內(nèi)存中一份，當(dāng)訪問的時(shí)候，我們會(huì)先訪問內(nèi)存的數(shù)據(jù)，如果內(nèi)存中的數(shù)據(jù)不存在，這個(gè)時(shí)候，我們再去讀取數(shù)據(jù)庫，之后把數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)再備份一份到內(nèi)存中，這樣下次讀請求過來的時(shí)候，還是會(huì)直接先從內(nèi)存中訪問，訪問到內(nèi)存的數(shù)據(jù)了之后就直接返回了。這樣做就完美的降低了數(shù)據(jù)庫的壓力，可能十萬個(gè)請求進(jìn)來，全部都訪問了內(nèi)存中備份的數(shù)據(jù)，而沒有去訪問數(shù)據(jù)庫，或者說只有少量的請求訪問到了數(shù)據(jù)庫，這樣真的是大大降低了數(shù)據(jù)庫的壓力，而且這樣做也提高了系統(tǒng)響應(yīng)，大家想一下，內(nèi)存的讀寫速度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于硬盤的讀寫速度的，一個(gè)請求進(jìn)來讀取的內(nèi)存可以比讀取硬盤快很多很多，用戶的體驗(yàn)也會(huì)很高。

-? ? ? 03、什么是緩存？? ? -

緩存原指CPU上的一種高速存儲(chǔ)器，它先于內(nèi)存與CPU交換數(shù)據(jù)，速度很快。

現(xiàn)在泛指存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)上的原始數(shù)據(jù)的復(fù)制集，便于快速訪問。

在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中，緩存是系統(tǒng)快速響應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

-? ? ? 04、緩存的三種讀寫模式? ? -

1、Cache Aside Pattern（常用）

Cache Aside Pattern（旁路緩存），是最經(jīng)典的緩存+數(shù)據(jù)庫讀寫模式。

讀的時(shí)候，先讀緩存，緩存沒有的話，就讀數(shù)據(jù)庫，然后取出數(shù)據(jù)后放入緩存，同時(shí)返回響應(yīng)。

更新的時(shí)候，先更新數(shù)據(jù)庫，然后再刪除緩存。

為什么是刪除緩存，而不是更新緩存呢？

1、緩存的值是一個(gè)結(jié)構(gòu)，hash、list等更新數(shù)據(jù)需要遍歷；

2、懶加載，使用的時(shí)候才更新緩存，也可以采用異步的方式填充緩存。

高并發(fā)臟讀的三種情況：

1、先更新數(shù)據(jù)庫，在更新緩存；

update與commit之間，更新緩存，commit失敗，則DB與緩存數(shù)據(jù)不一致。

2、先刪除緩存，再更新數(shù)據(jù)庫

update與commit之間，有新的讀，緩存空，讀DB數(shù)據(jù)到緩存，數(shù)據(jù)是舊的數(shù)據(jù)；

commit后DB為新的數(shù)據(jù)；

則DB與緩存數(shù)據(jù)不一致。

3、先更新數(shù)據(jù)庫，再刪除緩存（推薦）

update與commit之間，有新的讀，緩存空，讀DB數(shù)據(jù)到緩存，數(shù)據(jù)是舊的數(shù)據(jù)；

commit后DB為新的數(shù)據(jù)；

則DB與緩存數(shù)據(jù)不一致；

采用延時(shí)雙刪策略。

2、Read/Write Through Pattern

應(yīng)用程序只操作緩存，緩存操作數(shù)據(jù)庫；

Read-Through（穿透讀模式/直讀模式）：應(yīng)用程序讀緩存，緩存沒有，由緩存回源到數(shù)據(jù)庫，并寫入緩存；

Write-Through（穿透寫模式/直寫模式）：應(yīng)用程序?qū)懢彺妫彺鎸憯?shù)據(jù)庫。該種模式需要提供數(shù)據(jù)庫的handler，開發(fā)較為復(fù)雜。

3、Write Behind Caching Pattern

應(yīng)用程序只更新緩存；

緩存通過異步的方式將數(shù)據(jù)批量或合并后更新到DB中，不能時(shí)時(shí)同步，甚至?xí)G數(shù)據(jù)。

-? ? ? 05、Redis又是什么？? ? -

Redis是一個(gè)高性能的開源的，C語言寫的NoSQL（非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫）也叫做緩存數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)保存在內(nèi)存中。Redis是以key-value形式存儲(chǔ)，和傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫不一樣。不一定遵循傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的那些基本要求。比如，不遵循SQL標(biāo)準(zhǔn)、事務(wù)、表結(jié)構(gòu)等。Redis有非常豐富的數(shù)據(jù)類型，比如String，list，set，zset，hash等。

-? ? ? 06、Redis可以做什么？? ? -

1、減輕數(shù)據(jù)庫壓力，提高并發(fā)量，提高系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間

2、做Session分離

傳統(tǒng)的Session是由自己的tomcat進(jìn)行維護(hù)和管理的，在集群和分布式情況下，不同的tomcat要管理不同的session，只能在各個(gè)tomcat之間，通過網(wǎng)絡(luò)和IO進(jìn)行session復(fù)制，極大的影響了系統(tǒng)的性能。

Redis解決了這一個(gè)問題，將登陸成功后的session信息，存放在Redis中，這樣多個(gè)tomcat就可以共享Session信息。

3、做分布式鎖

一般Java中的鎖都是多線程鎖，是在一個(gè)進(jìn)程中的，多個(gè)進(jìn)程在并發(fā)的時(shí)候也會(huì)產(chǎn)生問題，也要控制時(shí)序性，這個(gè)時(shí)候Redis可以用來做分布式鎖，使用Redis的setnx命令來實(shí)現(xiàn)。

4、電商購物車：

1、以用戶id為key

2、商品id為field

3、商品數(shù)量為value

電商購物車操作：

1、添加商品：hset cart:1001 10088 1

2、增加數(shù)量：hincrby cart:1001 10088 1

3、商品總數(shù)：hlen cart:1001

4、刪除商品：hdel cart:1001 10088

5、獲取購物車所有商品：hgetall cart:1001

5、zset集合操作實(shí)現(xiàn)排行榜

1、點(diǎn)擊新聞

ZINCRBY hotNews:20190819 1 守護(hù)香港

2、展示當(dāng)日排行前十

ZREVRANGE hotNews:20190819 0 9 WITHSCORES

3、七日搜索榜單計(jì)算

ZUNIONSTORE hotNews:20190813-20190819 7

hotNews:20190813 hotNews:20190814... hotNews:20190819

4、展示七日排行前十

ZREVRANGE hotNews:20190813-201908109 0 9 WITHSCORES

用Redis做緩存，有這么有多優(yōu)點(diǎn)，那么，缺點(diǎn)是不是也會(huì)對應(yīng)的有很多呢？

1、額外的硬件支出

緩存是一種軟件系統(tǒng)中以空間換時(shí)間的技術(shù)，需要額外的磁盤空間和內(nèi)存空間來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

2、高并發(fā)緩存失效

在高并發(fā)的情況下，會(huì)出現(xiàn)緩存失效（緩存穿透，緩存雪崩，緩存擊穿等問題）造成瞬間數(shù)據(jù)庫訪問量增大，甚至崩潰，所以這些問題是一定要去解決。

3、緩存與數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)同步

緩存與數(shù)據(jù)庫無法做到數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)同步。

4、緩存并發(fā)競爭

多個(gè)Redis客戶端同時(shí)對一個(gè)key進(jìn)行set值的時(shí)候由于執(zhí)行順序引起的并發(fā)的問題。

-? ? ? 07、Redis高性能設(shè)計(jì)? ? -

1、Redis是單線程的么？

Redis的單線程主要是指Redis的網(wǎng)絡(luò)IO和鍵值對讀寫是由一個(gè)線程來完成的，這也是Redis對外提供鍵值存儲(chǔ)服務(wù)的主要流程。但Redis的其他功能，比如持久化，異步刪除，集群數(shù)據(jù)同步等，都是由額外的線程執(zhí)行的。

2、Redis單線程為什么還能這么快？

這里我們在本地測試一下Redis支持的并發(fā)。

執(zhí)行這條命令：./redis-benchmark get
結(jié)果：
============ get ==========
100000 requests completed in 1.02 seconds
50 parallel clients
3 bytes payload
keep alive: 1
host configuration "save": 900 1 300 10 60 10000
host configuration "appendonly": no
multi-thread: no

0.00% <= 0.1 milliseconds
13.00% <= 0.2 milliseconds
55.85% <= 0.3 milliseconds
80.60% <= 0.4 milliseconds
92.57% <= 0.5 milliseconds
97.12% <= 0.6 milliseconds
99.06% <= 0.7 milliseconds
99.68% <= 0.8 milliseconds
99.86% <= 0.9 milliseconds
99.90% <= 1.0 milliseconds
99.90% <= 1.1 milliseconds
13.00% <= 0.2 milliseconds
55.85% <= 0.3 milliseconds
80.60% <= 0.4 milliseconds
92.57% <= 0.5 milliseconds
97.12% <= 0.6 milliseconds
99.06% <= 0.7 milliseconds
99.68% <= 0.8 milliseconds
99.86% <= 0.9 milliseconds
99.90% <= 1.0 milliseconds
99.90% <= 1.1 milliseconds
99.90% <= 1.2 milliseconds
99.91% <= 1.3 milliseconds
99.93% <= 1.4 milliseconds
99.95% <= 1.5 milliseconds
99.97% <= 1.6 milliseconds
99.98% <= 1.7 milliseconds
99.99% <= 1.8 milliseconds
99.99% <= 1.9 milliseconds
100.00% <= 2 milliseconds
100.00% <= 2 milliseconds
98328.42 requests per second

這里我們可以看到，每秒的話，差不多可以支持小10萬的并發(fā)，這已經(jīng)是一個(gè)很恐怖的數(shù)據(jù)了。

因?yàn)樗乃袛?shù)據(jù)都在內(nèi)存中，所有的運(yùn)算都是內(nèi)存級別的運(yùn)算，而且單線程避免了多線程的切換性能消耗問題。正因?yàn)镽edis是單線程的，所以要小心使用Redis命令，對于那些耗時(shí)的指令（比如keys），一定要謹(jǐn)慎使用，一不小心就可能導(dǎo)致Redis卡頓。

Redis單線程如何處理那么多并發(fā)客戶端連接？

Redis的IO多路復(fù)用：Redis利用epoll來實(shí)現(xiàn)IO多路復(fù)用，將連接信息和事件放到隊(duì)列中，一次放到文件事件分派器，事件分派器將事件分發(fā)給事件處理器。

-? ? ? 08、Redis核心設(shè)計(jì)原理? ? -

Redis作為key-value存儲(chǔ)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

一個(gè)Redis實(shí)例對應(yīng)多個(gè)DB，一個(gè)DB對應(yīng)多個(gè)key，key一般都是string的，后面的value叫做RedisObject，不是說value就是string，list，map這些，而是說這些所有的類型，都被Redis封裝成了一個(gè)叫RedisObjcet，具體是哪個(gè)類型呢？這里是用指針的方式來指向具體是哪個(gè)類型。

為什么要這么做，主要是為了提高Redis的性能。

PS：這里插一句，為什么使用指針的方式要比使用對象本身的方式性能更好呢？

這里有兩點(diǎn)：

第一點(diǎn)是動(dòng)態(tài)分配；第二是指針一大特點(diǎn)在于你只需要在前面聲明一下指針指向的類型（而如果要使用實(shí)際的對象，你還需要定義一下）。這樣你就能降低你的編譯單元之間的耦合性從而減少編譯時(shí)間。

1、RedisDB結(jié)構(gòu)

Redis沒有表的概念，Redis實(shí)例所對應(yīng)的DB以編號區(qū)分，DB本身就是key的命名空間

比如：user:1000作為key的值，表示在user這個(gè)命名空間下id為1000的元素，類似于user表的id=1000的行。

2、SDS字符串

眾所周知，Redis是用C語言來實(shí)現(xiàn)的，在C語言中，String這個(gè)類型，其實(shí)就是一個(gè)char數(shù)組，比如char data[]="xxx\0"，但是，客戶端往Redis發(fā)送set命令，是可以發(fā)任意的字符串的，是沒有校驗(yàn)的，所以假如我們發(fā)了一個(gè)字符串xx\0xx，那么\0后面的xx是不會(huì)讀的，只會(huì)讀前面的xx（C語言中用"\0"表示字符串結(jié)束，如果字符串本身就有"\0"字符，字符串就會(huì)被截?cái)啵?/span>

所以Redis自實(shí)現(xiàn)了一個(gè)string叫sds，sds中記錄了一個(gè)len和一個(gè)char buf[]，len用來記錄buf的長度，比如char buf[] = "xx\0xx"，那么len就是5，sds中還有一個(gè)比較重要的屬性就是free，表示還剩余多少。

free是通過改變len來計(jì)算，比如"xxx1234" 改成 "xxx123456"，那么會(huì)按照（len+addlen）*2=18 來擴(kuò)容，這個(gè)時(shí)候len變成了9，free就是18-9也變成了9。

例如：

char buf[] = "xxx1234" 改成 "xxx123456" //這里的buf是柔性數(shù)組
free:12  變成free:10
len:8    變成len:10

Redis這樣設(shè)計(jì)SDS有什么好處：

1、二進(jìn)制安全的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；

2、提供了內(nèi)存預(yù)分配機(jī)制，避免了頻繁的內(nèi)存分配；

3、兼容C語言的函數(shù)庫；

4、有單獨(dú)的統(tǒng)計(jì)變量len和free，可以方便的得到字符串長度，這樣就避免了讀取不完整的風(fēng)險(xiǎn)；

5、內(nèi)容存放在柔性數(shù)組buf中，SDS對上層暴露的指針不是指向結(jié)構(gòu)體SDS的指針，而是直接指向柔性數(shù)組buf的指針。上層可像讀取C字符串一樣讀取SDS的內(nèi)容，兼容C語言處理字符串的各種函數(shù)。

這里解釋一下什么叫柔型數(shù)組？

柔型數(shù)組即數(shù)組大小待定的數(shù)組，C語言中結(jié)構(gòu)體的最后一個(gè)元素可以是大小未知的數(shù)組，也就是所謂的0長度，所以我們可以用結(jié)構(gòu)體來創(chuàng)建柔性數(shù)組。柔性數(shù)組主要用途是為了滿足需要變長度的結(jié)構(gòu)體，為了解決使用數(shù)組時(shí)內(nèi)存的冗余和數(shù)組的越界問題

這也是Redis3.2之前所實(shí)現(xiàn)的。

未完待續(xù)，敬請期待下篇分析。

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