Redis学习笔记《二》

深碍√TFBOYSˉ_ 2023-01-18 09:21 7阅读 0赞

### 十一、为什么String类型不好用 ###

#### 11.1 为什么String类型的内存开销大？ ####

> String 除了记录数据之外，还需要记录额外的一些信息 元数据信息 （如数据长度、空间使用等信息）

#### 11.2 String类型如何保存数据？ ####

> 当你保存的是64位有符号的整数时，String类型会把它保存成一个8个字节的 Long类型整数，这种编码方式叫int类型编码

> 当你保持的数据中包含字符时，就会使用 **简单动态字符来保存**

**(简单动态字符)SDS 结构体**

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> **buf**：字节数组，保存实际数据。为了表示字节数组的结束，Redis 会自动在数组最后加一个“\\0”，这就会额外占用 1 个字节的开销。
> 
> **len**：占 4 个字节，表示 buf 的已用长度。
> 
> **alloc**：也占个 4 字节，表示 buf 的实际分配长度，一般大于 len。

#### 11.3 Reais Object ####

> 因为 Redis 的数据类型有很多，而且，不同数据类型都有些相同的元数据要记录（比如最后一次访问的时间、被引用的次数等），所以，Redis 会用一个 RedisObject 结构体来统一记录这些元数据，同时指向实际数据。
> 
> 包含了8字节的元数据(用来区分不同的类型) 和 8字节的指针

![image-20210327195425910][]

**不同的大小，有不同的存储格式**

![image-20210327200120370][]

#### 11.4 10位 key - value 一共需要多少字节 ####

> 整型 int 类型的编码 可以用redisoobject 直接存储数据，16个字节一个ID。
> 
> redis的全局hash表 dictEntry 的结构体，它由3个部分组成， key、value 以及下一个 dictEntry，三个指针共 24 字节

![image-20210327201357429][]

但是由于 Redis 使用的内存分配库 jemalloc 了，每次分配时会找一个 >= 它请求分配的 最小2的N次幂，所以24个字节实际也就是 申请了32个字节。所以 32B + 32B = 64B

#### 11.5 用什么数据结构可以节省内存 ####

使用压缩表：

> 。表头有三个字段 zlbytes、zltail 和 zllen，分别表示列表长度、列表尾的偏移量，以及列表中的 entry 个数。压缩列表尾还有一个 zlend，表示列表结束。

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**prev\_len**: 表示前一个 entry 的长度

**encoding**：表示编码方式，1 字节；

**len**：表示自身长度，4 字节；

**(key)content**：保存实际数据;

当你用 String 类型时，一个键值对就有一个 dictEntry，要用 32 字节空间。但采用集合类型时，一个 key 就对应一个集合的数据，能保存的数据多了很多，但也只用了一个 dictEntry，这样就节省了内存。

**总共消耗： 8 + 1 + 1 + 4 = 14个字节**

#### 11.6 如何用集合类型保存单值的k-v ####

> 前一部分作为 Hash 集合的 key，后一部分作为Hash 集合的 value，这样一来，我们就可以把单值数据保存到 Hash 集合中了。
> 
> 例如。100001 1234
> 
> 就可以 使用hashset进行存储：1000 01(key) - 1234(value)

**Hash 类型的底层结构是 hash表 和 压缩表，什么时候相互转换呢？**

> 设置了两个阀值 一但在阀值之外就会转换成 hash 表。
> 
> hash-max-ziplist-entries：表示用压缩列表保存时哈希集合中的最大元素个数。
> 
> hash-max-ziplist-value：表示用压缩列表保存时哈希集合中单个元素的最大长度。

### 十二、有一亿个key 要统计，应该用哪种集合？ ###

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### 十三、数据类型GEO ###

> 在打车软件上叫车，这些都离不开基于位置信息服务（Location-Based Service，LBS）的应用。LBS 应用访问的数据是和人或物关联的一组经纬度信息，而且要能查询相邻的经纬度范围，GEO 就非常适合应用在LBS 服务的场景中，我们来看一下它的底层结构。

![image-20210330191536037][] ![image-20210330191625776][]

将 **经度 和 维度** 进行编码成一串数字，能作为 sortSet的权值

#### 13.1 RedisObject ####

> RedisObject 包括元数和指针。元数据的功能是用来区分不同类型的数据类型；指针用来指向不同类型的值

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> type：表示值的类型，涵盖了我们前面学习的五大基本类型；
> 
> encoding：是值的编码方式，用来表示 Redis 中实现各个基本类型的底层数据结构，
> 
> 例如 SDS、压缩列表、哈希表、跳表等；
> 
> lru：记录了这个对象最后一次被访问的时间，用于淘汰过期的键值对；
> 
> refcount：记录了对象的引用计数；
> 
> \*ptr：是指向数据的指针

### 十四、如何在redis中保存时间序列数据 ###

#### 14.1 基于Hash 和 sorted set 保存时间序列数据 ####

> Hash 保存 k-v数据
> 
> Sorted set 用来排序

利用**MULTI 和 EXEC 命令** 保证 redis 事务执行

#### 14.2 **基于** **RedisTimeSeries** **模块保存时间序列数据** ####

### 十五、消息队列的考验：Redis有哪些考验 ###

#### 15.1 消息队列需要解决的3个问题： ####

**1.消息保序**

> 使用 LPUSH 命令 和 RPOP 命令 保证写入后读取消息的顺序 **消费者一直使用 while(1)监听处理消息的时候 会一直消耗CPU**
> 
> 改进：提供使用 BRPOP 命令，再没有拿到数据时，会发生阻塞，不会消耗cup

**2.重复消息处理**

> 生产者定义一个 幂等id, 消费者自行控制幂等处理

**3.消息可靠性保证**

> 防止消费者，处理失败，消息丢失，可以使用BRPOPLPUSH 命令 ，这个命令可以将消息存储在另外一个 备份list当中

**生产者很多消息堆积；消费者及时处理不了，如何构建成一个消费组？**

#### 15.2 基于Stream的消息队列解决方案 ####

> Streams 是 Redis 专门为消息队列设计的数据类型，它提供了丰富的消息队列操作命令。
> 
> XADD：插入消息，保证有序，可以自动生成全局唯一 ID；
> 
> XREAD：用于读取消息，可以按 ID 读取数据；
> 
> XREADGROUP：按消费组形式读取消息；
> 
> XPENDING 和 XACK：XPENDING 命令可以用来查询每个消费组内所有消费者已读取
> 
> 但尚未确认的消息，而 XACK 命令用于向消息队列确认消息处理已完成。

### 十六、**异步机制：如何避免单线程模型的阻塞？** ###

#### 16.1 Redis实例有哪些阻塞点？ ####

> **客户端**：网络 IO，键值对增删改查操作，数据库操作；
> 
> **磁盘**：生成 RDB 快照，记录 AOF 日志，AOF 日志重写；
> 
> **主从节点**：主库生成、传输 RDB 文件，从库接收 RDB 文件、清空数据库、加载 RDB
> 
> 文件；
> 
> **切片集群实例**：向其他实例传输哈希槽信息，数据迁移。

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#### 16.2 具体的阻塞操作 ####

##### 16.2.1 客户端交互 #####

1.聚合查询和全量操作

2.bigkey 删除操作就是 Redis 的第二个阻塞点

3.清空数据库

##### 16.2.2 和磁盘交互的时点 #####

4.AOF日志同步写（ AOF 日志时，会根据不同的写回策略对数据做落盘保存）

##### 16.2.2**主从节点交互时的阻塞点** #####

5.加载RDB文件，主从同步时，会FLUSHDB 命令清空当前数据库，然后开始读取RDB文件

#### 16.3 异步的子线程机制 ####

Redis 主线程启动后，会使用操作系统提供的 pthread\_create 函数创建 3 个子线程，分别由它们负责 AOF 日志写操作、键值对删除以及文件关闭的异步执行。**操作被封装成异步任务**

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**删除 和清空数据库都可以采用 异步线程进行**

### 17. 为什么CPU的结构也会影响Redis性能 ###

#### 17.1 CPU 结构 ####

一个 CPU 处理器中一般有多个运行核心，我们把一个运行核心称为一个物理核，每个物理核都可以运行应用程序。每个物理核都拥有私有的一级缓存（Level 1 cache，简称 L1cache），包括一级指令缓存和一级数据缓存，以及私有的二级缓存（Level 2 cache，简称 L2 cache）。

不同核之间会有共享内存 L3缓存；

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#### 17.2 cpu多核对redis性能的影响 ####

在一个 CPU 核上运行时，应用程序需要记录自身使用的软硬件资源信息（例如栈指针、CPU 核的寄存器值等），我们把这些信息称为**运行时信息**。

线程在不同cpu间的切换，这个时候就要切换上下文信息了；

#### **CPU** **的** **NUMA** **架构对** **Redis** **性能的影响** ####

Redis 实例和网络中断程序的数据交互：

网络中断处理程序从网卡硬件中读取数据，并把数据写入到操作系统内核维护的一块内存缓冲区。内核会通过 epoll 机制触发事件，通知 Redis 实例，Redis 实例再把数据从内核的内存缓冲区拷贝到自己的内存空间。

![image-20210401225457109][]

**如果网络中断处理程序和 Redis 实例各自所绑的 CPU 核不在同一个 CPU Socket 上，那么，Redis 实例读取网络数据时，就需要跨 CPU Socket 访问内存，这个过程会花费较多时间。**

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所以要进行核绑定，让他在一个核中处理，能够提高效率。

### 18、波动的响应延迟 ###

##### 18.1 排查和解决慢的操作 #####

> 影响的关键因素： **文件系统**、**操作系统**

1.  从慢查询命令开始排查，并且根据业务需求替换慢查询命令；
2.  排查过期 key 的时间设置，并根据实际使用需求，设置不同的过期时间。

### 19、波动的响应延迟二 ###

#### 19.1 文件系统影响 ####

**AOF重写**：当在进行AOF重写的时候，磁盘压力会很大，此时如果设置了aof刷盘策略是‘awalys’时，那么高磁盘io会影响fsync，子线程的f ync就会影响主线程，导致redis的性能变慢。

![image-20210402203626953][]

#### 19.2 操作系统的 swap ####

> 内存 swap 是操作系统里将内存数据在内存和磁盘间来回换入和换出的机制，涉及到磁盘的读写，所以，一旦触发 swap，无论是被换入数据的进程，还是被换出数据的进程，其性能都会受到慢速磁盘读写的影响。

引发原因： 物理机的内存不足

解决方法：**增加机器的内存或者使用 Redis 集群**

#### 19.3 内存大页 ####

> Linux 内核从 2.6.38 开始支持内存大页机制，该机制支持 2MB 大小的内存页分配，而常规的内存页分配是按 4KB 的粒度来执行的。

当在作快照的时候，执行写时复制时，这个过程由其他线程完成，如果此时有数据被修改，Redis 并不会直接修改内存中的数据，而是将这些数据拷贝一份，然后再进行修改。如果采用了内存大页，那么，即使客户端请求只修改 100B 的数据，Redis 也需要拷贝2MB 的大页。**但是如果只是4kb的时候,也就只需要拷贝4kb了**

### 20. 删除数据后 为什么内存的占有率还是很高 ###

#### 20.1 什么是内存碎片 ####

> 使用内存空间时不连续，会有存在未被利用的“小间隙” ，这部分小间隙，就是内存碎片

#### 20.2 内存碎片是如何形成的 ####

> 简单来说，内因是操作系统的内存分配机制，外因是 Redis 的负载特征。

##### 内因：内存分配器的分配策略 #####

Redis 可以使用 libc、jemalloc、tcmalloc 多种内存分配器来分配内存，默认使用jemalloc。会分配一个大于等于2的n次方的数据；

例如：申请一个20字节的数据内存，就会分配一个 32的内存 那么多的那部分 就会形成内存碎片；

##### 外因：健值对大小不一样和删除操作 #####

#### 20.3 如何判断有内存碎片 ####

> Redis 是内存数据库，内存利用率的高低直接关系到它的性能，所以它提供了相关的命令，info 命令
> 
> INFO memory
> 
> \# Memory
> 
> used\_memory:1073741736
> 
> used\_memory\_human:1024.00M
> 
> used\_memory\_rss:1997159792
> 
> used\_memory\_rss\_human:1.86G
> 
> …
> 
> mem\_fragmentation\_ratio:1.86

**mem\_fragmentation\_ratio（碎片率） = （used\_memory\_rss）实际的 / used\_memory（申请的）**

**当碎片率 >= 1.5 的时候 就需要注意了**

#### 20.4 如何清理碎片 ####

1、直接重启red is 这并不是一个好的方法，可能会丢失数据

2、redis 4.0 之后 支持自动清理

但是整理碎片，会对
    config set activedefrag yes

因为 Redis 是单线程，在数据拷贝时，Redis 只能等着，这就导致 Redis 无法及时处理请求，性能就会降低。

**通过参数设置阀值**

> **active-defrag-ignore-bytes 100mb**：表示内存碎片的字节数达到 100MB 时，开始
> 
> 清理；
> 
> **active-defrag-threshold-lower 10**：表示内存碎片空间占操作系统分配给 Redis 的
> 
> 总空间比例达到 10% 时，开始清理。
> 
> **active-defrag-cycle-min 25**： 表示自动清理过程所用 CPU 时间的比例不低于
> 
> 25%，保证清理能正常开展；
> 
> **active-defrag-cycle-max 75**：表示自动清理过程所用 CPU 时间的比例不高于
> 
> 75%，一旦超过，就停止清理，从而避免在清理时，大量的内存拷贝阻塞 Redis，导致
> 
> 响应延迟升高。

### 二十一、11-20课后问题解答 ###

#### 21.1 **除了 String 类型和 Hash 类型，还有什么类型适合保存第 11 讲中所说的图片吗？** ####

> 除了 String 和 Hash，我们还可以使用 Sorted Set 类型进行保存。Sorted Set 的元素有 member 值和 score 值，可以像 Hash 那样，使用二级编码进行保存。具体做法是，把图片 ID 的前 7 位作为 Sorted Set 的 key，把图片 ID 的后 3 位作为 member 值，图片存储对象 ID 作为 score 值。

#### 21.2 如果一个生产者发送给消息队列的消息，需要被多个消费者进行读取和处理 ####

> 使用stream类型的消费组，消费者1 和消费者2 要属于不同的消费组；

#### 21.3 在一台有两个 CPU Socket（每个 Socket 8 个物理核），改如何分配 ####

有两个方案：

> 1.  在同一个 CPU Socket 上运行 8 个实例，并和 8 个 CPU 核绑定；
> 2.  在两个 CPU Socket 上各运行 4 个实例，并和相应 Socket 上的核绑定。

方案一：同一个 CPU Socket 上的进程，会共享 L3 缓存。如果把 8 个实例都部署在同一个Socket 上，它们会竞争 L3 缓存，这就会导致它们的 L3 缓存命中率降低，影响访问性能。

切片机群当中，不同实例间通过网络进行消息通信和数据迁移，并不会使用共享内存空间进行跨实例的数据访问

#### 21.4 在 Redis 中，还有哪些命令可以代替 KEYS 命令，实现对键值对的 key 的模糊查询呢？这些命令的复杂度会导致 Redis 变慢吗？ ####

> Redis 提供的 SCAN 命令，以及针对集合类型数据提供的 SSCAN、HSCAN 等，可以根据执行时设定的数量参数，返回指定数量的数据，这就可以避免像 KEYS 命令一样同时返回所有匹配的数据，不会导致 Redis 变慢。以 HSCAN 为例，我们可以执行下面的命令，从 user 这个 Hash 集合中返回 key 前缀以 103 开头的 100 个键值对。

HSCAN user 0 match "103*" 100

#### 21.4 你遇到过redis变慢的情况吗？ ####

> \\1. 使用复杂度过高的命令或一次查询全量数据；
> 
> \\2. 操作 bigkey；
> 
> \\3. 大量 key 集中过期；
> 
> \\4. 内存达到 maxmemory；
> 
> \\5. 客户端使用短连接和 Redis 相连；
> 
> 当 Redis 实例的数据量大时，无论是生成 RDB，还是 AOF 重写，都会导致 fork 耗时
> 
> 严重；
> 
> 1.  
> 
> \\7. AOF 的写回策略为 always，导致每个操作都要同步刷回磁盘；
> 
> Redis 实例运行机器的内存不足，导致 swap 发生，Redis 需要到 swap 分区读取数
> 
> 据；
> 
> 1.  
> 
> \\9. 进程绑定 CPU 不合理；
> 
> \\10. Redis 实例运行机器上开启了透明内存大页机制；
> 
> \\11. 网卡压力过大。

#### 21.5 mem\_fragmentation\_ratio 的值小于1 说明发生了什么 ####

> 表明操作系统分配给red is的内存，小于redis 所申请内存的大小，此时redis实例内存已经不够用了，发生了swap

#### 21.6 在和redis的实际交互中，应用程序的客户端要使用缓冲程序吗 ####

> 1、可以控制客户端端发送数率，请求不会一下子全部打到客户端
> 
> 2、进行主从切换时，需要一定的时间，可以先缓存客户端的请求

#### 21.7 如何查询慢日志 ####

> redis的慢查询日志，记录了执行时间超过一定阀值的命令操作；
> 
> **slowlog-log-slower-than**：慢查询日志对执行时间大于多少微秒的数据进行记录
> 
> **slowlog-max-len**：慢查询日志最多能记录多少条记录，如果超出，则会被删除；因为慢查询太多的话，日志就会存储不下，

latency monitor 可以监控慢查询，并进行设置；

#### 21.8 如何排查redis的 bigkey ####

./redis-cli --bigkeys

建议：在redis实例压力低的进行扫描检查，以面影响实例的正常运行；

> 参考极客时间redis编程实战与源码

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