【每日八股】复习 Redis Day5：集群（上）

复习昨日内容

缓存雪崩、击穿、穿透的问题描述及解决方案

缓存雪崩
大量热点数据同时过期，或缓存宕机，此时恰逢大量请求访问缓存，在缓存查不到就去查数据库，导致数据库压力骤增，最终服务崩溃。

缓存雪崩的解决方案是：均匀设置热点数据的过期时间、缓存宕机时触发熔断降级停止服务、客户端请求访问数据库重建缓存时加互斥锁。

缓存击穿
当前客户端频繁请求访问的热点数据过期了，导致客户端请求直接穿过缓存访问数据库，导致数据库压力骤增，服务崩溃。

缓存击穿的解决方案是：不为热点数据设置过期时间，或是热点数据过期后当有请求访问数据库重建缓存时加互斥锁。

缓存穿透
大量恶意的用户请求访问缓存和数据库中不存在的数据，占用资源。

缓存穿透的解决办法是：在缓存中设置一个默认值或零值、将频繁恶意访问的用户拉入黑名单。

如何保证数据库和缓存的一致性

普通方案

• Cache-Aside（旁路缓存）：客户端请求访问缓存时，如果能查到数据就直接返回结果，否则查数据库并将结果放回缓存；客户端请求需要修改数据库时，先修改数据库，再删除缓存，写操作不会主动将数据库中修改的结果放回缓存，而是先修改数据库，再删除缓存（这种方式不可避免地会产生缓存中短暂地存在脏数据的问题，当写请求修改数据库时，并发的读请求可以读取到缓存删除前的旧数据）。
• Read/Write Through：依赖于缓存的组件，比如 Redis 企业版。针对读操作，如果缓存命中则直接返回数据，如果缓存未命中则依赖于缓存组件查数据库并返回结果，在此期间会将数据同步到缓存；针对写操作，直接修改缓存，缓存组件会将修改的结果同步到数据库。
• Write Behind：写操作会直接修改缓存，再由缓存自行异步地将数据同步到数据库。这种方式的速度很快，但是可能导致数据不一致的问题，适用于允许数据丢失的高并发场景。

进阶方案

双删策略 + 延迟消息
针对写操作，系统首先删除缓存，再向 MQ 发送一条延迟消息，然后系统到数据库当中修改数据库。延迟消息到期时，再次删除缓存。双删策略可以避免修改数据库时的并发读导致的脏数据缓存重建。

基于 binlog 的最终一致性方案

1. 主库执行写操作，自动生成 binlog；
2. 数据库的中间件（如 Canal）持续抓取 binlog；
3. 将 binlog 的二进制日志翻译为可读事件；
4. 通过 MQ 将事件广播到包括缓存在内的所有订阅方；
5. 各系统（如缓存/搜索/统计）按顺序消费事件，但允许处理速度不同。

如何保证缓存删除一定成功？

重试机制
引入消息队列，将删除缓存操作封装为消息事件，使用支持持久化的消息队列来存储事件，将事件交由消费者来完成缓存删除。引入消息队列并将删除操作封装为消息事件之后，即使消费者崩溃，消息也不会丢失。

基于 binlog 的最终一致性
所有删除操作先记录到 binlog 日志，后台进程持续消费日志进行删除，定期检查日志和缓存状态。

针对业务一致性要求高的场景，如何确保缓存与数据库的一致性？

• 旁路缓存或 Read/Write Through；
• 延迟双删；
• 基于 binlog 的最终一致性；
• 旁路缓存优化：写操作前获取分布式锁，更新数据库并删除缓存后释放锁。缺点在于引入分布式锁会牺牲一定的并发性。

如何避免缓存失效？

业务上线之前进行「缓存预热」，提前将数据库中的数据加载到缓存当中。

业务上线之后，可以开一个后台线程不断检查缓存是否失效，如果检测到缓存失效，该线程就去数据库查数据并放回缓存。

或者当业务线程发现缓存失效之后，通过 MQ 发送消息给后台线程更新缓存，后台线程收到消息后，在更新缓存之前会检查缓存是否存在，如果存在就不执行放回操作，否则查数据库将数据放回缓存。

如何实现延迟队列？

通过 Redis 的 ZSET 可以实现延迟队列。ZSet 有一个 Score 属性存储延迟执行的事件。使用 zadd score1 value1 可以新建延迟事件，再通过 zrangebyscore 可以符合条件的待处理任务。

设计一个缓存策略，以动态缓存热点数据？

通过 Redis 的 ZSET 数据结构来实现，可以通过数据的最新访问时间来对数据进行排名，当有新的请求访问数据，就为该数据增加相应的分数，通过 zrangebyscore 返回基于分数排序的结果。

Redis 实现分布式锁？

Redis 可以通过一个全局可见的共享内存来实现跨进程/节点的分布式锁。具体来说，通过命令 SET key unique_value NX PX timeout 命令来完成。NX 确保仅当 key 不存在时设置成功，PX 和 timeout 为锁设置了过期时间，unique_value 是唯一标识（如 UUID），确保只有锁的持有者能够释放锁。

避免死锁
加锁时通过设置 NX 字段确保只有 key 不存在时才能过加锁。

如何防止其他客户端误删当前客户端的锁？
在删除锁时需要通过 unique_value 进行校验。通过 lua 脚本确保检验操作与锁删除操作的原子性。

锁超时和业务执行时间冲突怎么办？
可以引入锁续期机制（Watchdog），客户端获取锁后，会启动一个后台线程，定期检查锁是否被持有。

Redis 的单点故障问题？
指的是 Redis 宕机时，锁丢失会导致多个客户端同时持有分布式锁，破坏互斥性。

解决办法是引入 RedLock 算法，具体来说是客户端申请加分布式锁时需要同时向多个 Redis 主节点请求加锁，多数节点同意才算加锁成功。如果失败，则向所有节点发送释放锁请求。

高并发下如何处理锁竞争？

1. 减小锁的粒度，在业务维度细分；
2. 等待队列；
3. 超时与重试机制；

为什么选 Redis 实现分布式锁，而不是 zookeeper 或 etcd？

• Redis 的优势：性能高，实现简单，社区成熟；
• Zookeeper / etcd 的优势：高一致性，但是性能较低，需要维护临时会话。

Redis 如何解决集群模式下的分布式锁可靠性？

通过 RedLock 算法。

具体的加锁步骤如下：

1. 客户端获取当前时间（$t_1$)；
2. 客户端同时向多个 Redis 主节点发送加锁请求；
3. 一旦超过半数 Redis 主节点同意加锁，则加锁成功，记录当前时间（$t_2$）；
4. 计算总时耗$t_2-t_1$，如果总时耗小于锁的过期时间，则认为客户端加锁成功，否则加锁失败，加锁失败时需要向所有 Redis 主节点发送锁删除请求，通过 lua 脚本确保锁校验与锁删除的原子性。

Redis 管道的作用？管道与事务有什么区别？

Pipeline

• 用于优化网络性能：客户端将 Redis 操作写入 Pipeline 打包发送给 Redis，Redis 处理完之后将处理结果一并返回给客户端，批量操作减少了端到端传输在网络中的 RTT；
• 非原子性：管道中的命令顺序执行，一条失败不会影响其他命令，执行期间其他客户端的命令可以插入。

Transaction

• 通过 MULTI 和 EXEC 将多个命令打包为原子性操作；
• 通过 WATCH 实现乐观锁；
• 事务中如果存在语法错误会导致事务执行失败；
• 事务执行之后，如果存在某条命令执行失败，不会影响后续命令的执行，因此 Redis Transaction 不具有原子性和回滚机制。
• Lua 脚本具有原子性，支持事务回滚，因此应该优先使用 Lua 脚本。

Redis 事务的乐观锁
主要用途

1. 并发控制：允许客户端在执行事务前监视一个或多个键，如果这些键在事务执行之前被修改，那么事务执行失败；
2. CAS（Check-And-Set）操作：假设冲突不发生，只在提交时检查数据是否被修改。

介绍一个 Redis 的线程模型

Redis 6.0 之前，Redis 使用单线程来处理所有的任务，包括连接请求、网络 I/O 以及实际的命令执行。Redis 6.0 之后引入了多线程来辅助网络 I/O，但 Redis 的命令执行仍然是单线程执行。

具体来说，Redis 内部使用一个「文件事件处理器」来监控并处理所有请求，它是单线程的，因此 Redis 也是单线程的。文件事件处理器采用 I/O 多路复用机制来监听多个 event，将产生事件的 socket 压入内存队列当中，事件分派器会将 socket 根据事件类型派发给具体的事件处理器（连接应答处理器、命令请求处理器、命令回复处理器）处理具体的事件。

简述一下 I/O 多路复用机制

I/O 多路复用是一种高效的 I/O 处理机制，它允许单个进程/线程同时监视多个文件描述符（如 socket），并在任何一个或多个文件描述符就绪时得到通知。

其核心思想是：

• 单线程处理多连接：用一个线程管理多个 I/O 流，避免为每个连接创建线程的开销；
• 非阻塞 + 就绪通知：将文件描述符设为非阻塞模式，当某个描述符就绪时得到通知；
• 避免忙等：通过系统调用阻塞等待，直到有描述符就绪。

实际上 I/O 多路复用机制与 Golang 当中的「select」机制非常像。

复习 Redis Day5：集群

Redis 集群模式有哪些？

主从：选择一台主服务器，将数据同步到多台从服务器，以构建一主多从模式，主从之间读写分离。主服务器可读可写，从服务器一般只读。主从服务器之间的命令复制是异步的，因此无法保证强一致性。需要注意的是，Redis 的主从复制模式不局限于“一主多从”结构，可能的配置包括：

• 标准一主多从：一个主节点（Master）+ 多个从节点（Slave）；
• 级联复制（主-从-从）：复制的顺序为 主节点 -> 从节点1 -> 从节点2，可以减轻主节点的复制压力；
• 多主节点架构：通过 Redis Sentinel 或 Cluster 实现多主节点，每个主节点有自己的从节点，数据分片存储在不同的主节点当中。

哨兵：当 Redis 主从服务器出现故障宕机时，需要手动恢复，哨兵模式（Redis Sentinel）解决了这个问题，Redis Sentinel 是 Redis 官方提供的高可用性（HA）方案，用于管理 Redis 主从集群，实现自动故障检测和故障转移。Redis Sentinel 的核心功能包括：

1. 监控：持续检查主从节点是否正常运行；
2. 通知：当被监控的 Redis 节点出现问题时，可以通过 API 通知管理员；
3. 自动故障转移：主节点故障时，自动将一个从节点升级为新的主节点；
4. 配置提供：作为客户端服务的发现源，提供当前可用的主节点地址。

Redis Sentinel 节点本身是一个特殊的 Redis 实例，一个 Sentinel 集群需要三个或以上的 Sentinel 节点，使用 Raft 算法实现 Sentinel 节点之间的共识。

Sentinel 集群当中包含至少 1 个主节点和 1 个或多个从节点。

切片集群：当数据量大到一台服务器不能承载时，需要使用 Redis 切片集群（Redis Cluster）方案，它将数据分布到不同的服务器上，以此来降低系统对单主节点的依赖，提高 Redis 服务的读写性能。

Redis 切片集群的工作原理

切片集群采用哈希槽来进行数据和节点的映射，一个切片集群一共有 16384 个操作，每个存储数据的 key 会经过运算映射到 16384 个槽位中，映射关系如下：

• 由 key 通过 CRC 16 算法计算出一个 16 bit 的数字；
• 根据得到的数字，对 16384 取模，确定对应的哈希槽。

「注意」：Redis 的所有键是二进制安全的字符串（可以包含任何数据，比如文本、序列化对象），CRC16 算法的输入是任意长度的字符串，输出是固定的 16 位无符号整数，相同的字符串永远得到相同结果，不同字符串会均匀分布在输出空间。16384 恰位 65536 的 $\frac{1}{4}$。

哈希槽与 Redis 节点如何对应？

• 平均分配：集群创建时，Redis 自动将哈希槽平均分到集群节点上。
• 手动分配：使用命令指定没个节点上的哈希槽数目。

主从模式的同步过程？

一. 同步建立阶段

1. 从节点执行命令连接到主节点；
2. 从节点保存主节点信息到自己的内存；
3. 建立与主节点的 socket 连接。

如果需要进行身份验证，那么从节点会向主节点发送 AUTH 命令，验证成功后继续后续流程。

二. 全量同步（初次同步）
首先，从节点向主节点发送 PSYNC ? -1 命令，表示初次同步。之后主节点返回 FULLRESYNC <runid> <offset> 响应：

• runid：主节点的唯一 ID；
• offset：当前复制偏移量。

然后：

1. 主节点执行 bgsave 生成 RDB 快照；
2. 生成期间的新命令存入复制缓冲区（replication buffer）；
3. RDB 通过 socket 传输到从节点；
4. 从节点清空旧数据，加载 RDB 文件；
5. 主节点将复制缓冲区当中的写命令发送给从节点，从节点执行这些命令以同步主节点状态。

三. 增量同步（断线重连）
首先进行条件检查，从节点需满足：

• 主节点 runid 未变化；
• 从节点 offset 仍在主节点的复制积压缓冲区中。

之后：

1. 从节点发送 PSYNC <runid> <offset>；
2. 主节点返回 CONTINUE 响应；
3. 主节点发送从 offset 之后的所有写命令。

四. 持续同步阶段
命令传播：主节点每执行一个写命令

• 就将命令发送给所有从节点；
• 自身和从节点的 offset 增加；

心跳检测：

• 主从节点默认每隔一段时间（比如 10 秒）互相发送 PING；
• 从节点每秒上报自身复制的 offset。