Redis从入门到高级笔记【涵盖重点面试题】

1. NoSQL数据库

DBEngines网站中会统计目前数据库在全世界的排名

1.1 什么是NoSQL

最常见的解释是"non-relational"，很多人说它是"Not only SQL"
NoSQL仅仅是一个概念，泛指非关系型数据库
区别于关系型数据库，他们不保证关系数据的ACID特性

1.2 NoSQL的特点

应用场景
高并发的读写
海量数据的读写
高可扩展性
速度快
不适用场景
需要事务支持
基于sql的结构化查询存储，处理复杂的关系，需要即席查询（用户自定义查询条件的查询）

1.3 NoSQL有哪些
1.3.1 memchache

很早出现的NoSQL数据库
数据都在内存中，一般不持久化
支持简单的key-value模式
一般是作为缓存数据库辅助持久化的数据库

1.3.2 redis

几乎涵盖了memchache的绝大部分功能
数据都在内存中，支持持久化，主要用作备份恢复
除了支持简单的key-value模式，还支持多种数据结构的存储，比如 list，set，hash，zset等
一般是作为缓存数据库 辅助持久化的数据库
现在市面上用得非常多的一款内存数据库

1.3.3 mongoDB

高性能、开源、模式自由（schema free）的文档型数据库
数据都在内存中，如果内存不足，把不常用的数据保存到硬盘
虽然是key-value模式，但是对value（尤其是json）提供了丰富的查询功能
支持二进制数据及大型对象
可以根据数据的特点替代RDBMS，成为独立的数据库，或者配合RDBMS，存储特定的数据库

1.3.4 列存储HBase

HBase是Hadoop项目中的数据库，它用于需要对大量的数据进行随机、实时读写操作的场景中。HBase的目标就是处理数据量非常庞大的表，可以用普通的计算机处理超过10亿行数据，还可以处理有数百万列元素的数据表

2. Redis介绍
   2.1 Redis的基本简介

Redis是当前比较热门的NoSQL系统之一
它是一个开源的，使用ANSI C语言编写的key-value存储系统
和memcache类似，但是很大程度上补偿了memcache的不足，redis数据都是缓存在计算机内存中，不同的是，memcache只能将数据缓存到内存中，无法自动定期写入硬盘，这就表示，一断电或者重启，内存清空，数据就会丢失。

2.2 Redis的应用场景

取最新N个数据的操作
排行榜应用，取TOP N操作
需要精准设定过期时间的应用
计数器应用
uniq操作，获取某段时间所有数据排重值
实时系统，发垃圾系统
缓存

2.3 Redis的特点

高效性
读取速度是110000次/s，写的速度是81000次/s
原子性
支持多种数据结构 string list set hash zset
稳定性：持久化，主从复制（集群）
其他特性：支持过期时间，支持事务，支持订阅

3. Redis单机环境安装

# 下载redis安装包
cd /opt/software
wget http://download.redis.io/releases/redis-3.2.8.tar.gz

#解压redis压缩包到指定目录
tar -zxvf redis-3.2.8.tar.gz -C /opt/module/


# 安装c程序运行环境
yum -y install gcc-c++


# 安装tcl
# 在线安装
yum -y install tcl


# 编译redis

cd redis-3.2.8/
make MALLOC=libc
make test && make install PREFIX=/opt/module/redis-3.2.8


# 修改redis配置文件

cd /opt/module/redis-3.2.8/
mkdir log
mkdir data

vim redis.conf
# 修改第61行
bind hadoop104.sl.cn
# 修改第128行
daemonize yes
# 修改第163行
logfile "/opt/module/redis-3.2.8/log/redis.log"
# 修改第247行
dir /opt/module/redis-3.2.8/data


# 启动redis

cd /opt/module/redis-3.2.8
bin/redis-server redis.conf


# 关闭redis

bin/redis-cli -h hadoop104 shutdown


# 连接redis客户端
bin/redis-cli -h hadoop104

4. Redis的数据类型

string字符串
list列表
set集合
hash表
zset有序集合

4.1 对字符串string的操作

 # 设置获取key
 set hello world
 get hello
 # 批量设置获取key
 mset hello1 world1 hello2 world2
 mget hello1 hello2
 # 设置一个key，并指定过期时间
 setex hello 3 world
 # INCR +1  DECR -1  将key中存储的数字加1或者减1
 set pv 1
 INCR pv

注意：
在执行累加器的操作时，千万不能使用set/get来操作，会造成一些数据被覆盖【多个线程同时在操作redis缓存】
要使用INCR/DESC/INCRBY，就是执行原子的累加/累减

4.2 对hash表的操作

# 设置获取key  大key和小key
hset userinfo userid 1     -->  hget userinfo userid
hset userinfo username sun 	 -->  hget userinfo username
# 获取hash中所有key
hkeys userinfo
# 获取hash中所有的key和值
hgetall userinfo

4.3 对list列表的操作

# 往列表的头部插入数据
lpush list 1 2 3 4 
# lrange表示取指定范围[索引]的元素
lrange list 0 -1

4.4 对set集合的操作

# 向集合添加元素
sadd set_test 1 2 3 4
# 获取所有的元素
smembers set_test
# 获取元素的个数
scard set_test

4.5 对key的操作

# 删除一个key
del list
# 检查key是否存在
exists list
# 返回所有的key
keys *

4.6 对zset的操作

它用来保存需要排序的数据，例如排行榜
有序集合中，每个元素都有score（权重），以此来对元素进行排序
它有三个元素：key member和score

# 向集合添加元素
zadd key score1 member1 score2 member2 ...
# 获取所有的元素
zrange key 0 -1 withscores
# 获取元素的个数
zcard key
# 给member1的score1加一
zincrby key increment member1
# 求member1的排名
# 默认升序  索引
zrank key member1
# 注意：这个操作效率很高，并不是重新排序，只是把zset反转即可
zrevrank key member1

4.7 对位图BitMaps的操作

计算机最小的存储单位是位bit，BitMaps是针对位的操作的，相较于String，Hash，Set等存储方式更加节省空间
BitMaps不是一种数据结构，操作是基于String结构的，一个String最大可以存储512M，那么一个BitMaps则可以设置2^32个位
BitMaps单独提供了一套命令，所以在Redis中使用BitMaps和使用字符串的方法不太相同，可以把BitMaps想象成一个以位为单位的数组，数组的每个单元只能存储0和1，数组的下标在BitMaps中叫做偏移量
BitMaps命令说明：将每个独立用户是否访问过网站放在BitMaps中，将访问的用户记作1，没有访问过的用户记作0，用偏移量作为用户的id

4.7.1 设置值

setbit key offset value

4.7.2 获取值

getbit key offset

4.7.3 获取BitMaps指定范围值为1的个数

bitcount key start end

4.7.4 BitsMaps间的运算

bitop operation destkey key 

bitop是一个复合操作，它可以做多个BitMaps的and、or、not、xor(异或) 操作并将结果保存在destkey中

4.8 对HyperLogLog结构的操作

HyperLogLog常用于大数据量的统计，比如页面访问量统计或者用户访问量统计
要统计一个页面的访问量（PV），可以直接用redis计数器或者直接存数据库都可以实现，如果要统计一个页面的用户访问量（UV），一个页用户一天内如果访问多次的话，也只能计算一次，这样，我们可以使用set集合来做，因为set集合是有去重功能的，key存储页面对应的关键字，value存储对应的userid，这种方法是可行的，但如果访问量较多，假如有几千万的访问量，这就麻烦了。为了统计访问量，要频繁创建set集合对象。

# 查看hyperloglog的用法
help @hyperloglog
# pfadd key userid userid ...
# pfcount key	
# pfmerge destkey sourcekey sourcekey ...

限制：
这个HyperLogLog结构存在一定的误差，误差很小，0.81%，所以它不适合对精确度要求特别高的统计，而uv这种操作，对精确度要求没那么高，是可以适用该结构的
HyperLogLog结构不会存储数据的明细，针对uv场景，它为了节省空间资源，只会存储数据经过算法计算后的基数值，基于基数值【去重后的长度】来进行统计的

5. Redis Java API操作
   5.1 创建maven工程并导入依赖

<dependencies>
        <!--Redis的java客户端-->
        <dependency>
            <groupId>redis.clients</groupId>
            <artifactId>jedis</artifactId>
            <version>2.9.0</version>
        </dependency>
    	<!--单元测试-->
        <dependency>
            <groupId>junit</groupId>
            <artifactId>junit</artifactId>
            <version>4.12</version>
            <scope>test</scope>
        </dependency>
        <dependency>
            <groupId>org.testng</groupId>
            <artifactId>testng</artifactId>
            <version>6.14.3</version>
            <scope>test</scope>
        </dependency>
</dependencies>

5.2 创建包结构和类

在test目录下创建 com.sl.redis.api_test包结构
创建RedisTest类

5.3 连接以及关闭redis客户端

public class RedisTest {
    private JedisPool jedisPool;
    @BeforeTest
    public void beforeTest() {
        JedisPoolConfig config = new JedisPoolConfig();
        config.setMaxIdle(10);  // 指定最大空闲连接数 10个
        config.setMinIdle(5);   // 指定最小空闲连接数 5个
        config.setMaxWaitMillis(3000); // 最大等待时间为3000ms
        config.setMaxTotal(50); // 最大连接数50
        jedisPool = new JedisPool(config, "hadoop104",6379);

    }
    @Test
    public void keysTest() {
        // 从redis连接池获取redis连接
        Jedis jedis = jedisPool.getResource();
        // 调用keys方法获取所有的key
        Set<String> keySet = jedis.keys("*");
        for (String key : keySet) {
            System.out.println(key);
        }
    }
    @AfterTest
    public void afterTest() {
        jedisPool.close(); // 关闭连接池
    }
}

6. Redis的持久化
   由于redis是一个内存数据库，所有的数据都是保存在内存中的，内存中的数据极易丢失，所以redis的数据持久化就显得尤为重要，在redis当中，提供了两种数据持久化的方式，分别为RDB以及AOF，且redis默认开启的数据持久化方式为RDB

6.1 RDB持久化方案

redis会定期保存数据快照至一个rdb文件中，并在启动时自动加载rdb文件，恢复之前保存的数据。可以在配置文件中配置redis进行快照保存的时机：

# 表示在seconds秒内如果发生了changes次数据修改，则进行一次rdb快照保存
save [seconds] [changes]

rdb是一种全量备份，是将整个redis中的所有的数据，保存到一个rdb文件中

6.2 AOF持久化方案

redis会把每一个写请求都记录在一个日志文件里，在redis重启时，会把aof文件中记录的所有写操作顺序执行一遍，确保数据恢复到最新。

aof默认是关闭的，可以进行如下配置

# 开启aof
appendonly yes
# 配置aof
appendfsync everysec 由后台线程每秒fsync一次
appendfsync always 每写入一条日志就进行一次fsync操作，数据安全性最高，但速度最慢


AOF rewrite
    只保留能够把数据恢复到最新状态的最小写操作集

6.3 RDB or AOF

RDB效率要高，因为它是直接将Redis的最新数据完整的保存下来，但如果Redis中存储的数据量比较大时，也会有一定的性能消耗，因为它需要创建额外的进程来进行数据的持久化，所以要制定合理的策略
AOF效率相对RDN要低一些，因为它会将历史的写操作都执行一遍来进行恢复，同时在执行写操作的时候也会将每一个指令存储下来，当我们对数据的安全性要求较高的时候，可以考虑AOF

7. Redis的高级操作
   7.1 Redis事务
   7.1.1 Redis事务简介

Redis事务就是一次性、顺序性、排他性的执行一个队列中的一系列命令
没有隔离级别的概念，不保证原子性！！！
一个事务从开始到执行会经历以下三个阶段：
第一阶段：开始事务
第二阶段：命令入队
第三阶段：执行事务
注意：
只有当语法有错误的时候，事务才会回滚，但是运行的错误，事务不会回滚
为什么redis不支持事务回滚？ 为了保证性能！！！

7.1.2 Redis事务演示

set k1 v1
set k2 v2
multi # 开启事务
set k1 11
set k2 22
exec  # 依次执行命令 
get k1
get k2

7.2 Redis过期策略

Redis的过期策略是指当Redis中缓存的key过期了，Redis如何处理 【针对设置了expire过期时间的key】
过期策略有以下三种：
定时过期：每个设置过期时间的key都需要创建一个定时器，到过期时间就会被立即清除
懒惰过期：只有当访问一个key时，才会判断该key是否过期，过期则删除
定期过期：每隔一定的时间，会扫描一定数量的数据库的expires字典中一定数量的key，并清除其中已过期的key

7.3 内存淘汰策略

指在Redis的用于缓存的内存不足时，怎么处理需要新写入且需要申请额外空间的数据
实际项目中设置内存淘汰策略：maxmemory-policy allkeys-lru，移除最近最少使用的key
默认：maxmemory-policy noeviction

8. Redis的主从复制架构
   8.1 简介

主从复制，是指将一台Redis服务器的数据，复制到其他的Redis服务器。前者称为主节点（master），后者称为从节点（slave），数据的复制是单向的，只能由主节点到从节点。
默认情况下，每台Redis服务器都是主节点；且一个主节点可以有多个从节点或者没有，但一个从节点只能由一个主机点。

8.2 主从复制原理

当从数据库启动后，会向主数据库发送SYNC命令
主数据库收到命令后，开始在后台保存快照（RDB持久化），并将保存快照期间接收到的命令缓存下来
快照完成后，Redis（master）将快照文件和所有缓存的命令发送给从数据库
Redis（slave）接收到RDB和缓存命令时，会开始载入快照文件并执行接收到的缓存的命令

注意：后续，每当主数据库接收到写命令时，就会将命令同步给从数据库。所以3和4只会在初始化的时候执行。
8.3 主从复制的应用场景

读写分离：写操作由master节点操作，读操作由slave节点操作
比较适合用来处理读多写少的场景。而当单个主数据库不能满足需求时，就需要使用Redis 3.0后推出的集群功能
从数据库持久化
Redis中相对耗时的就是持久化，为了提高性能，可以通过主从复制创建一个或多个从数据库，并在从数据库中启动持久化，同时在主数据库中禁用持久化。
当从数据库崩溃重启后主数据库会自动将数据同步过来，无需担心数据丢失
而当主数据库崩溃时，后续我们可以通过哨兵来解决

9. Redis中的Sentinel架构
   9.1 Sentinel介绍

哨兵是Redis的高可用解决方案：由一个或多个Sentinel实例组成的Sentinel系统可以监视任意多个主服务器，以及这些主服务器属下的所有从服务器，并在被监视的主服务器进入下线状态时，自动将下线主服务器属下的某个从服务器升级为新的主服务器

9.2 配置哨兵

# 每台服务器都需要对哨兵进行配置
vi sentinel 
# 修改第15行
bind 主机名
# 在下方添加配置，让sentinel服务后台运行
daemonize yes
# 修改第71行
sentinel monitor mymaster hadoop104 6379 2

参数说明：
sentinel monitor 代表监控
mymaster 代表服务器的名称，可以自定义
hadoop104 代表监控的主服务器，6379代表端口
2代表只有两个或两个以上的哨兵认为主服务不可用的时候才会进行failover操作

9.3 sentinel模式代码开发连接

public class RedisSentinelTest {
    private JedisSentinelPool jedisSentinelPool;
    @BeforeTest
    public void beforeTest() {
        JedisPoolConfig config = new JedisPoolConfig();
        config.setMaxIdle(10);  // 指定最大空闲连接数 10个
        config.setMinIdle(5);   // 指定最小空闲连接数 5个
        config.setMaxWaitMillis(3000); // 最大等待时间为3000ms
        config.setMaxTotal(50); // 最大连接数50
        HashSet<String> sentinelSet = new HashSet<String>();
        sentinelSet.add("192.168.15.104:26379");
        sentinelSet.add("192.168.15.105:26379");
        sentinelSet.add("192.168.15.106:26379");   
        jedisSentinelPool = new JedisSentinelPool("mymaster", sentinelSet, config);
    }
    @Test
    public void test() {
        Jedis jedis = jedisSentinelPool.getResource();
        Set<String> keySet = jedis.keys("*");
        for (String key : keySet) {
            System.out.println(key);
        }
    }
    @AfterTest
    public void afterTest() {
        jedisSentinelPool.close();
    }
}

10. Redis集群
    10.1 简介

Redis最开始使用主从模式做集群，若master宕机需要手动配置slave转为master；后来为了高可用提出哨兵模式，该模式下有一个哨兵监视master和slave，若master宕机可自动将slave转为master，但还是有一个问题，就是不能动态扩充，所以在redis 3.x提出cluster集群模式

为什么要实现Redis Cluster？
主从复制不能实现高可用
QPS(每秒查询率)可能无法满足业务需求
数据量的考虑
技术组件不是内存越多越好，因为内存配置的越大，例如JVM的Heap内存配置的很大后，就会导致内存碎片整理很耗时，垃圾回收会发生卡顿，导致集群的效率下降
网络流量需求，可考虑使用分布式来进行分流

10.2 分布式存储的重点–分区

mysql–根据顺序分区的方式，例如：根据主键来进行分区（分库分表），一般是在java web中会遇到

按照哈希取余的方式来进行分区（类似于MapReduce的默认分区策略）
当分区的数量发生变化的时候，会导致key产生较大影响，原先分布在第一个节点上的数据，分区数量调整后，指定到了其他的分区

按照一致性哈希的方式来进行分区
是一个环状的hash空间，它的分区算法是和哈希取余算法不一样的
算法过程 ：
首先将每一个分区的标号（0,1,2）进行算法计算，然后将计算出来的值，放入到环状的hash空间
再将key同样进行算法计算，然后将计算出来的值，同样也放入到环状的hash空间
最后，找到key在hash空间中距离自己位置最近的分区，放入到该分区中
这样，当分区的数量发生变化的时候，影响不会太大

Redis集群是使用槽的方式来进行分区的
现有一个槽的空间（0-16353），需要将这些空间分布到不同的节点中
node1: 0-3xxx
node2: 3xxx-6xxx
…
有一个key，首先进行CRC16算法&16353 = 值，Redis会判断这个值应该在哪个槽中

10.3 集群搭建

# 下载redis-5.0.8安装包
cd /opt/software
wget http://download.redis.io/releases/redis-5.0.8.tar.gz
# 解压
tar -zxvf redis-5.0.8.tar.gz -C /opt/module/
# 编译
cd redis-5.0.8/
make
# 安装至指定目录
make PREFIX=/opt/module/redis-5.0.8-bin install
# 创建安装目录软连接
cd /opt/module
ln -s redis-5.0.8-bin redis
# 配置环境变量
export REDIS_HOME=/opt/module/redis
export PATH=:$PATH:$REDIS_HOME/bin
# 拷贝配置文件
cd /opt/module/redis-5.0.8
cp redis.conf /opt/module/redis
# 修改配置文件  每台机器启动2个redis服务，一个是主节点服务：7001，一个从节点服务：7002
cd redis
mkdir 7001 7002
cp redis.conf 7001/redis_7001.conf
vi 7001/redis_7001.conf
# 步骤较多，自行百度解决......
# 启动集群，需要启动6个服务就可以了



初始化集群（只需要一次）：

/opt/module/redis/bin/redis-cli --cluster create 192.168.15.104:7001 192.168.15.104:7002 192.168.15.105:7001 192.168.15.105:7002 192.168.15.106:7001 192.168.15.106:7002 --cluster-replicas 1


    --replicas 1 1其实代表的是一个比例，就是主节点数/从节点数的比例

测试集群：(在任意一台机器)

redis-cli -c -p 7001

注意：
配置完后，需要启动所有的端口Redis进程，一共有6个
启动好6个节点（进程）后，需要进行集群初始化
集群初始化会自动分配master和slave，我们可以指定一个master对应几个slave
redis还会自动分配槽
连接redis集群
redis-cli -c -p 端口号
但我们访问某个key的 时候，如果这个key不在本机，redis集群会自动跳转到另外的机器

补充：

问题解决办法
看log
StackoverFlow网站（上面有各种异常解决办法）
看源码
学习技术的三点
轻量级框架、技术组件（轻量级是要花少一点时间去学习各种API，因为此时没有应用场景）
重量级项目（将技术组件结合起来，切记：和业务场景结合在一起）
大师级面试题（提升自己的沟通表达能力、组织话术、熟记各种原理）

10.4 JavaAPI操作redis集群

JedisPool–操作单机版本的redis

JedisSentinelPool–操作哨兵系统的主从结构

JedisCluster–操作redis集群

public class RedisClusterTest {
    private JedisCluster jedisCluster;
    @BeforeTest
    public void beforeTest() {
        JedisPoolConfig config = new JedisPoolConfig();
        config.setMaxIdle(10);  // 指定最大空闲连接数 10个
        config.setMinIdle(5);   // 指定最小空闲连接数 5个
        config.setMaxWaitMillis(3000); // 最大等待时间为3000ms
        config.setMaxTotal(50); // 最大连接数50

        HashSet<HostAndPort> hostAndPort = new HashSet<HostAndPort>();
        hostAndPort.add(new HostAndPort("hadoop104", 7001));
        hostAndPort.add(new HostAndPort("hadoop104", 7002));
        hostAndPort.add(new HostAndPort("hadoop105", 7001));
        hostAndPort.add(new HostAndPort("hadoop105", 7002));
        hostAndPort.add(new HostAndPort("hadoop106", 7001));
        hostAndPort.add(new HostAndPort("hadoop106", 7002));

        jedisCluster = new JedisCluster(hostAndPort, config);

    }
    @Test
    public void test() {
        jedisCluster.set("k2","v2");
        System.out.println(jedisCluster.get("k2"));
    }
    @AfterTest
    public void afterTest() throws IOException {
        jedisCluster.close();
    }
}

注意事项：
在构建JedisCluster的时候，需要将集群中的所有主从节点添加到set中
如果使用JedisCluster操作Redis的时候，不再需要获取Redis连接，直接去操作Redis即可，因为JedisCluster已经封装好了对应的操作

10.5 Redis集群面试题

问题1：Redis的多数据库机制，了解多少？

正常版：Redis支持多个数据库，并且每个数据库的数据是隔离的不能共享，单机下的redis可以支持16个数据库（默认下标为0~15）。

高调版：在redis cluster架构下，只有一个数据库空间，即0下标的数据库，因此，我们没有使用Redis的多数据功能。

问题2：懂Redis的批量操作吗？

正常版：懂一点。比如mset、mget操作等。

高调版：在生产上采用的是Redis Cluster结构，不同的key会划分到不同的slot中，因此直接使用mset或者mget等操作是行不通的。

问题3：Redis集群机制中，你觉得有什么不足的地方吗？

正常版：不知道

高调版：假设有一个key，对应的value是hash类型的，如果hash对象非常大，是不支持映射到不同节点！只能映射到集群中的一个节点上！还有就是做批量操作比较麻烦！

问题4：在Redis集群模式下，如何进行批量操作？

正常版：不知道

高调版：如果执行的key数量比较少，就不用mget了，就用串行get操作。如果真的需要执行的key很多，就需要使用Hashtag保证该这些key映射到同一台redis节点上

问题5：懂Redis事务吗？

正常版：redis事务是一系列redis命令的集合

高调版：在生产中采用的是redis cluster架构，不同的key是有可能分配在不同的redis节点上，在这种情况下redis的事务机制是不生效的，其次，redis事务不支持回滚操作

11. Redis高频面试题

在应用程序和mysql数据库之间建立一个中间层：redis缓存，通过redis缓存可以有效减少查询数据库的时间消耗，但是引入redis又有可能出现缓存穿透，缓存击穿，缓存雪崩等问题

11.1 缓存穿透

key对应的数据在数据源并不存在，每次针对此key的请求从缓存获取不到，请求都会到数据源，从而可能压垮数据源。
一言以蔽之：查询key，缓存和数据源都没有，频繁查询数据源
解决的方案：
方案1：当查询不存在时，也将结果保存在缓存中
方案2：提前过滤掉不合法的请求，可以使用redis中的布隆过滤器【可以快速的过滤掉缓存中不存在的key】

11.2 缓存击穿

key对应的数据库存在，但在redis中过期
一言以蔽之：查询key，缓存过期，大量并发，频繁查询数据源
解决的方案：
使用互斥锁
setnx("互斥锁", 1) : 表示当key不存在的时候，才会设置一个key

11.3 缓存雪崩

当缓存服务器重启或者大量缓存集中在某一个时间失效
一言以蔽之：缓存不可用，频繁查询数据源
解决的方案：
加锁或者消息队列
将缓存失效时间分散开

11.4 Redis的命名规范

使用统一的命名规范
一般使用业务名（或数据库名）为前缀，用冒号分割，例如 业务名:表名:id
控制key名称的长度，不能使用过长的key
名称中不要包含特殊字符