Redis架构简述

搬砖俱乐部

发布于 2020-01-17 15:42:07

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Redis是基于内存亦可持久化的日志型、Key-Value数据库。

Redis的使用场景

抗峰值-读场景
分布式锁
热点数据缓存
后端接口数据缓存
异步队列
通知

数据结构：

String
- Redis的字符串是动态字符串，可以修改的字符串，类似于ArrayList，采用分配冗余空间来减少频繁的内存分配，并且支持扩容；
- Redis的数值型，可以进行自增操作，是由范围的，是signed long的最大值最小值；
- 字符串底层原理
  - Redis 的字符串叫着「SDS」，也就是Simple Dynamic String。它的结构是一个带长度信息的字节数组
  - Redis 规定字符串的长度不得超过 512M 字节
List
- ‍类似Java的链表-LinkedList，插入和删除都是O(1)，查询是O(N)；
- 提供入队列、弹出等功能
- 可以用在异步队列
- List底层：ZipList和QuickList
Hash‍
- 类似Java的HashMap，数组+链表，不过，rehash比较耗时，所以，采用的是渐进式rehash，即同时保留新老两个结构；
- 对于存储一个对象而言，Hash结构可以单独对字段进行操作，字符串结构则需要整体取出；Hash结构比字符串结构更消耗Redis存储资源，字符串结构比Hash结构耗费网络资源；
Set
- 类似于Java的HashSet，是无序唯一的，是特殊的字典，字典的value是Null；
ZSet
- 类似于 Java 的 SortedSet 和 HashMap 的结合，一方面具有Set的唯一性，另一方面每个key对应value存储的是score（权重），用于排序；
- 跳跃列表采取一个随机策略来决定新元素可以兼职到第几层：
  - 首先 L0 层肯定是 100% 了
  - L1 层只有 50% 的概率
  - L2 层只有 25% 的概率
  - L3 层只有 12.5% 的概率
  - 一直随机到最顶层 L31 层

底层结构

SDS：Simple Dynamic String。它的结构是一个带长度信息的字节数组，Redis用于实现键值、String

struct SDS<T> {
    T capacity; // 数组容量
    T len; // 数组长度
    byte flags; // 特殊标识位，不理睬它
    byte[] content; // 数组内容
}

typedef struct listNode {
    struct listNode *prev;//前置节点
    struct listNode *next;//后置节点
    void *value;//节点的值
} listNode;
typedef struct list {
    //表头节点
    listNode *head;
    //表尾节点
    listNode *tail;
    //节点值复制函数void *(*dup)(void *ptr);
    //节点值释放制函数void (*free)(void *ptr);
    //节点值对比函数int (*match)(void *ptr, void *key);
    //链表所包含的节点数量
    unsigned long len;
} list;

# 字典
typedef struct dict{
   //类型特定函数
    dictType *type;
    //私有数据
    void *privdata;
    //哈希表
    dictht ht[2];
    //rehash索引
    //当rehash不在进行时，值为-1
    int rehashidx;
}dict;
# 哈希表
typedef struct dictht{
     //哈希表数组
     dictEntry **table;
     //哈希表大小
     unsigned long size;
     //哈希表大小掩码，用于计算索引值
     //总是等于 size-1
     unsigned long sizemask;
     //该哈希表已有节点的数量
     unsigned long used;
}dictht；
# 哈希表节点
typedef struct dictEntry{
     //键
     void *key;
     //值
     union{
          void *val;
          uint64_tu64;
          int64_ts64;
     }v;
     //指向下一个哈希表节点，形成链表
     struct dictEntry *next;
}dictEntry;

# 跳跃表节点
typedef struct zskiplistNode {
    //成员对象
    robj *obj;
    //分值
    double score;
    //后退指针
    struct zskiplistNode *backward;
    //层—每个层元素都包含一个指向其他节点的指针，可以通过指针快速访问其他节点
    struct zskiplistLevel {
        struct zskiplistNode *forward;//前进指针
        unsigned int span;//跨度
    } level[];
} zskiplistNode;
# 跳跃表：zskiplist 持有 跳跃表节点，可以更方便的对整个跳跃表进行处理，表头、表尾
typedef struct zskiplist {
    //表头节点和表尾节点
    struct zskiplistNode *header, *tail;
    //表中节点的的数量
    unsigned long length;
    //表中层数最大的节点层数int level;
} zskiplist;

typedef struct intset {
    // 编码方式
    uint32_t encoding;
    // 集合包含的元素数量
    uint32_t length;
    // 保存元素的数组
    int8_t contents[];
} intset;

分布式锁：

原理：
- setnx——缓存中不存在则进行设置value，否则设置失败；
- lua脚本保证多个指令的原子性
‍问题1：超时问题——增加超时时间，避免持有锁的线程长时间不释放，导致其他线程一直拿不到锁；setnx px
问题2：锁持有问题——对于锁的排斥的判断，需要增加锁的值的唯一性，一般采用随机值或者线程ID等来证明是某个线程的持有；
问题3：锁可重入性——应该记录同一个线程持有锁的计数，可以使用hreadLocal实现，Redis使用Hash结构记录某个线程请求锁次数（Redission）；
问题4：锁续约问题——如果某个线程执行时间超过锁设置的超时时间的话，会导致逻辑没有执行完成，锁已经释放问题，需要有持续加锁的逻辑；
问题5：锁信息同步问题——在分布式环境下，当存有锁信息的Redis节点宕机了，而锁信息还没有同步到从节点，将导致锁失效；‍
- 解决方案：RedLock算法，在超时时间内，向集群大部分机器加锁，如果失败，则依次删除锁
优缺点：
- 锁的询问需要线程不断地询问，Zookeeper分布式锁基于监听实现，不需要线程不断地询问；
- 线程死掉，其他线程只能在到了超时时间才能获得锁，无法在线程失败时直接去获得锁；

Redis的单线程

多路复用：单线程实现，通过epoll实现I/O的多路复用；
指令队列：为每个socket连接关联一个指令队列，客户端的指令通过指令队列排队进行顺序处理，先到先处理；
响应队列：为每个socket连接关联一个响应队列，Redis 服务器通过响应队列来将指令的返回结果回复给客户端。

Redis的持久化

AOF
- AOF 日志是连续的增量备份，AOF 日志记录的是内存数据修改的指令记录文本；
- AOF 日志存储的是 Redis 服务器的顺序指令序列，AOF 日志只记录对内存进行修改的指令记录
RDB：
- 快照备份，快照是一次全量备份，快照是内存数据的二进制序列化形式，在存储上非常紧凑；
- Redis 在持久化时会调用 glibc 的函数 fork 产生一个子进程，快照持久化完全交给子进程来处理，父进程继续处理客户端请求；
- 子进程做数据持久化，它不会修改现有的内存数据结构，它只是对数据结构进行遍历读取，然后序列化写到磁盘中；
- 会使用操作系统的 COW 机制来进行数据段页面的分离
  - 数据段是由很多操作系统的页面组合而成，当父进程对其中一个页面的数据进行修改时，会将被共享的页面复制一份分离出来，然后对这个复制的页面进行修改
  - 子进程相应的页面是没有变化的，还是进程产生时那一瞬间的数据
Redis 4.0 混合持久化
- 将 rdb 文件的内容和增量的 AOF 日志文件存在一起。这里的 AOF 日志不再是全量的日志，而是自持久化开始到持久化结束的这段时间发生的增量 AOF 日志

Redis管道

I/O耗时主要消耗在缓冲区，比如：
- write耗时在写缓冲区时，写满了，然后等待缓冲区重新变空，这个等待过程就是一次整个缓冲区的网络传输过程；
- read耗时在读缓存区时，缓冲区还为有数据，等待缓冲区有数据，这个等待过程也是一次整个缓冲区的网络传输过程；
- 而管道是基于客户端实现的，批量进行操作，使读写请求更加连续，而节省了单个读写请求的等待时长

Redis事务

事务通常包括begin、commit 和 rollback，Redis是multi、exec、discard；
服务端在接收到 exec 之前，会将指令缓存中事务队列，执行完成后一次性返回结果；
并不能真正的保证原子性，因为某个指令失败，后续的指令还会继续执行；
通常会配合管道使用，来节省网络开销；

Redis集群

主从同步：当网络发生分区时，Redis保证可用性
- 增量同步
- 快照同步
- 无盘同步
Sentinel
- 通过使用一组哨兵，来对外提供服务，可以看成是一组Zookeeper节点
- 客户端连接到哨兵上，而不是直接连接集群上，这样当集群的主节点挂掉，哨兵会重新选取新的主，并在客户端向哨兵询问时，返回新主给客户端；
- 哨兵无法保证数据完全不丢失，不过提供两个参数尽可能的少丢失数据
  - min-slaves-to-write：表示主节点必须至少有一个从节点在进行正常复制，否则就停止对外写服务，丧失可用性
  - min-slaves-max-lag：它的单位是秒，表示如果 10s 没有收到从节点的反馈，就意味着从节点同步不正常，要么网络断开了，要么一直没有给反馈

Redis监控

Info
- Server 服务器运行的环境参数
- Clients 客户端相关信息
- Memory 服务器运行内存统计数据
- Persistence 持久化信息
- Stats 通用统计数据
- Replication 主从复制相关信息
- CPU CPU 使用情况
- Cluster 集群信息
- KeySpace 键值对统计数量信息

实战问题