Redis面试题及分布式集群

Reference: http://blog.csdn.net/yajlv/article/details/73467865

1. 使用Redis有哪些好处？

(1) 速度快，因为数据存在内存中，类似于HashMap，HashMap的优势就是查找和操作的时间复杂度都是O(1) 
(2) 支持丰富数据类型，支持string，list，set，sorted set，hash 
(3) 支持事务，操作都是原子性，所谓的原子性就是对数据的更改要么全部执行，要么全部不执行 
(4) 丰富的特性：可用于缓存，消息，按key设置过期时间，过期后将会自动删除

2. redis相比memcached有哪些优势？

(1) memcached所有的值均是简单的字符串，redis作为其替代者，支持更为丰富的数据类型 
(2) redis的速度比memcached快很多 
(3) redis可以持久化其数据

3. redis常见性能问题和解决方案：

(1) Master最好不要做任何持久化工作，如RDB内存快照和AOF日志文件 
(2) 如果数据比较重要，某个Slave开启AOF备份数据，策略设置为每秒同步一次 
(3) 为了主从复制的速度和连接的稳定性，Master和Slave最好在同一个局域网内 
(4) 尽量避免在压力很大的主库上增加从库 
(5) 主从复制不要用图状结构，用单向链表结构更为稳定，即：Master <- Slave1 <- Slave2 <- Slave3… 
这样的结构方便解决单点故障问题，实现Slave对Master的替换。如果Master挂了，可以立刻启用Slave1做Master，其他不变。

4. MySQL里有2000w数据，redis中只存20w的数据，如何保证redis中的数据都是热点数据

相关知识：redis 内存数据集大小上升到一定大小的时候，就会施行数据淘汰策略。redis 提供 6种数据淘汰策略：

voltile-lru：从已设置过期时间的数据集（server.db[i].expires）中挑选最近最少使用的数据淘汰

volatile-ttl：从已设置过期时间的数据集（server.db[i].expires）中挑选将要过期的数据淘汰

volatile-random：从已设置过期时间的数据集（server.db[i].expires）中任意选择数据淘汰

allkeys-lru：从数据集（server.db[i].dict）中挑选最近最少使用的数据淘汰

allkeys-random：从数据集（server.db[i].dict）中任意选择数据淘汰

no-enviction（驱逐）：禁止驱逐数据

5. Memcache与Redis的区别都有哪些？

1)、存储方式

Memecache把数据全部存在内存之中，断电后会挂掉，数据不能超过内存大小。

Redis有部份存在硬盘上，这样能保证数据的持久性。

2)、数据支持类型

Memcache对数据类型支持相对简单。

Redis有复杂的数据类型。

3)、使用底层模型不同

它们之间底层实现方式 以及与客户端之间通信的应用协议不一样。

Redis直接自己构建了VM 机制 ，因为一般的系统调用系统函数的话，会浪费一定的时间去移动和请求。

4），value大小

redis最大可以达到1GB，而memcache只有1MB

6. Redis 常见的性能问题都有哪些？如何解决？

1).Master写内存快照，save命令调度rdbSave函数，会阻塞主线程的工作，当快照比较大时对性能影响是非常大的，会间断性暂停服务，所以Master最好不要写内存快照。

2).Master AOF持久化，如果不重写AOF文件，这个持久化方式对性能的影响是最小的，但是AOF文件会不断增大，AOF文件过大会影响Master重启的恢复速度。Master最好不要做任何持久化工作，包括内存快照和AOF日志文件，特别是不要启用内存快照做持久化,如果数据比较关键，某个Slave开启AOF备份数据，策略为每秒同步一次。

3).Master调用BGREWRITEAOF重写AOF文件，AOF在重写的时候会占大量的CPU和内存资源，导致服务load过高，出现短暂服务暂停现象。

4). Redis主从复制的性能问题，为了主从复制的速度和连接的稳定性，Slave和Master最好在同一个局域网内

7, redis 最适合的场景

Redis最适合所有数据in-momory的场景，虽然Redis也提供持久化功能，但实际更多的是一个disk-backed的功能，跟传统意义上的持久化有比较大的差别，那么可能大家就会有疑问，似乎Redis更像一个加强版的Memcached，那么何时使用Memcached,何时使用Redis呢? 
如果简单地比较Redis与Memcached的区别，大多数都会得到以下观点： 
1 、Redis不仅仅支持简单的k/v类型的数据，同时还提供list，set，zset，hash等数据结构的存储。 
2 、Redis支持数据的备份，即master-slave模式的数据备份。 
3 、Redis支持数据的持久化，可以将内存中的数据保持在磁盘中，重启的时候可以再次加载进行使用。 
（1）、会话缓存（Session Cache）

最常用的一种使用Redis的情景是会话缓存（session cache）。用Redis缓存会话比其他存储（如Memcached）的优势在于：Redis提供持久化。当维护一个不是严格要求一致性的缓存时，如果用户的购物车信息全部丢失，大部分人都会不高兴的，现在，他们还会这样吗？

幸运的是，随着 Redis 这些年的改进，很容易找到怎么恰当的使用Redis来缓存会话的文档。甚至广为人知的商业平台Magento也提供Redis的插件。

（2）、全页缓存（FPC）

除基本的会话token之外，Redis还提供很简便的FPC平台。回到一致性问题，即使重启了Redis实例，因为有磁盘的持久化，用户也不会看到页面加载速度的下降，这是一个极大改进，类似PHP本地FPC。

再次以Magento为例，Magento提供一个插件来使用Redis作为全页缓存后端。

此外，对WordPress的用户来说，Pantheon有一个非常好的插件 wp-redis，这个插件能帮助你以最快速度加载你曾浏览过的页面。

（3）、队列

Reids在内存存储引擎领域的一大优点是提供 list 和 set 操作，这使得Redis能作为一个很好的消息队列平台来使用。Redis作为队列使用的操作，就类似于本地程序语言（如Python）对 list 的 push/pop 操作。

如果你快速的在Google中搜索“Redis queues”，你马上就能找到大量的开源项目，这些项目的目的就是利用Redis创建非常好的后端工具，以满足各种队列需求。例如，Celery有一个后台就是使用Redis作为broker，你可以从这里去查看。

（4），排行榜/计数器

Redis在内存中对数字进行递增或递减的操作实现的非常好。集合（Set）和有序集合（Sorted Set）也使得我们在执行这些操作的时候变的非常简单，Redis只是正好提供了这两种数据结构。所以，我们要从排序集合中获取到排名最靠前的10个用户–我们称之为“user_scores”，我们只需要像下面一样执行即可：

当然，这是假定你是根据你用户的分数做递增的排序。如果你想返回用户及用户的分数，你需要这样执行：

ZRANGE user_scores 0 10 WITHSCORES

Agora Games就是一个很好的例子，用Ruby实现的，它的排行榜就是使用Redis来存储数据的，你可以在这里看到。

（5）、发布/订阅

最后（但肯定不是最不重要的）是Redis的发布/订阅功能。发布/订阅的使用场景确实非常多。我已看见人们在社交网络连接中使用，还可作为基于发布/订阅的脚本触发器，甚至用Redis的发布/订阅功能来建立聊天系统！（不，这是真的，你可以去核实）。

Redis提供的所有特性中，我感觉这个是喜欢的人最少的一个，虽然它为用户提供如果此多功能。

高可用分布式集群

一，高可用

高可用（High Availability），是当一台服务器停止服务后，对于业务及用户毫无影响。 停止服务的原因可能由于网卡、路由器、机房、CPU负载过高、内存溢出、自然灾害等不可预期的原因导致，在很多时候也称单点问题。

（1）解决单点问题主要有2种方式：

主备方式 
这种通常是一台主机、一台或多台备机，在正常情况下主机对外提供服务，并把数据同步到备机，当主机宕机后，备机立刻开始服务。 
Redis HA中使用比较多的是keepalived，它使主机备机对外提供同一个虚拟IP，客户端通过虚拟IP进行数据操作，正常期间主机一直对外提供服务，宕机后VIP自动漂移到备机上。

优点是对客户端毫无影响，仍然通过VIP操作。 
缺点也很明显，在绝大多数时间内备机是一直没使用，被浪费着的。

主从方式 
这种采取一主多从的办法，主从之间进行数据同步。 当Master宕机后，通过选举算法(Paxos、Raft)从slave中选举出新Master继续对外提供服务，主机恢复后以slave的身份重新加入。 
主从另一个目的是进行读写分离，这是当单机读写压力过高的一种通用型解决方案。 其主机的角色只提供写操作或少量的读，把多余读请求通过负载均衡算法分流到单个或多个slave服务器上。

缺点是主机宕机后，Slave虽然被选举成新Master了，但对外提供的IP服务地址却发生变化了，意味着会影响到客户端。 解决这种情况需要一些额外的工作，在当主机地址发生变化后及时通知到客户端，客户端收到新地址后，使用新地址继续发送新请求。

（2）数据同步 
无论是主备还是主从都牵扯到数据同步的问题，这也分2种情况：

同步方式：当主机收到客户端写操作后，以同步方式把数据同步到从机上，当从机也成功写入后，主机才返回给客户端成功，也称数据强一致性。 很显然这种方式性能会降低不少，当从机很多时，可以不用每台都同步，主机同步某一台从机后，从机再把数据分发同步到其他从机上，这样提高主机性能分担同步压力。 在redis中是支持这杨配置的，一台master，一台slave，同时这台salve又作为其他slave的master。

异步方式：主机接收到写操作后，直接返回成功，然后在后台用异步方式把数据同步到从机上。 这种同步性能比较好，但无法保证数据的完整性，比如在异步同步过程中主机突然宕机了，也称这种方式为数据弱一致性。

Redis主从同步采用的是异步方式，因此会有少量丢数据的危险。还有种弱一致性的特例叫最终一致性，这块详细内容可参见CAP原理及一致性模型。

（3）方案选择 
keepalived方案配置简单、人力成本小，在数据量少、压力小的情况下推荐使用。 如果数据量比较大，不希望过多浪费机器，还希望在宕机后，做一些自定义的措施，比如报警、记日志、数据迁移等操作，推荐使用主从方式，因为和主从搭配的一般还有个管理监控中心。

宕机通知这块，可以集成到客户端组件上，也可单独抽离出来。 Redis官方Sentinel支持故障自动转移、通知等，详情见低成本高可用方案设计(四)。

逻辑图： 

二，分布式

分布式(distributed), 是当业务量、数据量增加时，可以通过任意增加减少服务器数量来解决问题。

集群时代 
至少部署两台Redis服务器构成一个小的集群，主要有2个目的：

高可用性：在主机挂掉后，自动故障转移，使前端服务对用户无影响。 
读写分离：将主机读压力分流到从机上。 
可在客户端组件上实现负载均衡，根据不同服务器的运行情况，分担不同比例的读请求压力。

逻辑图： 

三，分布式集群时代

当缓存数据量不断增加时，单机内存不够使用，需要把数据切分不同部分，分布到多台服务器上。 
可在客户端对数据进行分片，数据分片算法详见C#一致性Hash详解、C#之虚拟桶分片。

逻辑图： 

大规模分布式集群时代 
当数据量持续增加时，应用可根据不同场景下的业务申请对应的分布式集群。 这块最关键的是缓存治理这块，其中最重要的部分是加入了代理服务。 应用通过代理访问真实的Redis服务器进行读写，这样做的好处是：

避免越来越多的客户端直接访问Redis服务器难以管理，而造成风险。 
在代理这一层可以做对应的安全措施，比如限流、授权、分片。 
避免客户端越来越多的逻辑代码，不但臃肿升级还比较麻烦。 
代理这层无状态的，可任意扩展节点，对于客户端来说，访问代理跟访问单机Redis一样。 
目前楼主公司使用的是客户端组件和代理两种方案并存，因为通过代理会影响一定的性能。 代理这块对应的方案实现有Twitter的Twemproxy和豌豆荚的codis。

逻辑图： 

四，总结

分布式缓存再向后是云服务缓存，对使用端完全屏蔽细节，各应用自行申请大小、流量方案即可，如淘宝OCS云服务缓存。 
分布式缓存对应需要的实现组件有：

一个缓存监控、迁移、管理中心。 
一个自定义的客户端组件，上图中的SmartClient。 
一个无状态的代理服务。 
N台服务器。