1. Redis 概述

1.1 定义

Redis（Remote Dictionary Server，远程字典服务器）是开源、内存型、高性能的 NoSQL 键值数据库，C 语言编写，支持多数据结构、持久化和高可用，是目前主流的缓存与中间件。

1.2 核心设计理念

• 内存优先：全内存操作，性能极致
• 单线程核心：规避锁竞争与上下文切换开销
• 简洁高效：功能精简，拒绝过度设计

1.3. 核心特性

• 超高性能：单机读写 10 万+ QPS，IO 多路复用 + 高效 RESP 协议
• 多数据结构：支持 10+ 种常用数据结构，远超普通缓存
• 持久化能力：RDB、AOF 双机制，保障数据不丢失
• 全套高可用：主从复制、哨兵、集群三种架构
• 丰富扩展功能：事务、Lua 脚本、发布订阅、消息队列
• 渐进式多线程：6.0+ 网络 IO 多线程，核心命令执行保持单线程，兼顾性能与稳定性

2. 数据类型与底层结构

2.1 常用数据类型及场景

数据类型	核心特点	典型场景
String（字符串）	最基础类型，支持文本、数字	缓存、计数器、分布式锁、限流
Hash（哈希）	键值对集合，适配对象存储	用户/商品信息、购物车
List（列表）	有序可重复，双向操作	消息队列、时间线、评论列表
Set（集合）	无序去重，支持交集/并集/差集	标签、共同好友、抽奖、去重统计
ZSet（有序集合）	带 score 权重排序，去重有序	排行榜、延迟队列、权重排序
Bitmap（位图）	位运算，极致省内存	用户签到、在线状态统计
HyperLogLog	概率统计，固定 12KB 内存	UV 独立访客统计、大数据去重计数
Geospatial	地理位置计算、范围查询	附近的人/店铺、距离计算
Stream	持久化消息队列，支持消费组	异步消息、业务解耦

2.2 核心底层结构

• SDS：自定义动态字符串，二进制安全、O(1) 获取长度，替代 C 原生字符串
• 压缩列表 / listpack：小数据存储，内存紧凑（7.0+ listpack 解决连锁更新问题）
• 快速列表 quicklist：List 底层，链表 + 压缩列表结合，兼顾性能与内存
• 字典 hashtable：Hash / Set 底层，渐进式 rehash，避免卡顿
• 跳跃表 skiplist：ZSet 底层，O(log n) 读写，平衡性能开销

3 常用核心命令

3.1 通用键命令

EXISTS　DEL　UNLINK（异步删键）　EXPIRE / PEXPIRE　TTL / PTTL　PERSIST　SCAN（替代 KEYS）　TYPE

3.2 五大基础类型核心命令

类型	核心命令
String	SET / GET、INCR / DECR、SETNX、SETEX、MGET / MSET
Hash	HSET / HGET、HGETALL、HINCRBY、HKEYS / HVALS
List	LPUSH / RPUSH、LPOP / RPOP、LRANGE、LLEN、LTRIM
Set	SADD / SMEMBERS、SISMEMBER、SINTER / SUNION / SDIFF、SPOP
ZSet	ZADD、ZRANGE / ZREVRANGE、ZSCORE、ZINCRBY、ZREM

3.3 过期删除策略

采用 惰性删除 + 定期删除 组合：

• 惰性删除：访问过期键即时删除
• 定期删除：每 100ms 随机抽检删除过期键，规避 CPU 峰值压力

4. 事务与持久化机制

4.1 Redis 事务

• 指令：MULTI（开启）、EXEC（执行）、DISCARD（放弃）、WATCH（乐观锁）
• 特性：顺序执行、无回滚、不支持原子回滚（单条失败不影响其他命令）

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4.2 持久化机制

4.2.1 RDB（快照持久化）

定时异步生成内存数据快照，文件紧凑、恢复速度快。

• 优点：恢复快、文件小、性能影响低
• 缺点：可能丢失最后一次快照后的增量数据，fork 子进程可能短暂卡顿

4.2.2 AOF（日志持久化）

记录所有写操作命令，实时性高、数据安全。支持自动重写压缩文件，7.0+ 支持多分段 AOF，提升恢复效率。

同步策略：

策略	说明
always	实时同步，最安全、最慢
everysec	每秒同步一次（推荐）
no	系统自动同步

4.2.3 混合持久化（推荐）

Redis 4.0+ 支持，AOF 文件头部存储 RDB 快照，尾部追加增量命令，兼顾恢复速度和数据安全性。

[ RDB 快照数据 | AOF 增量命令 ]

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5. 内存管理与淘汰策略

5.1 核心淘汰策略（内存满时触发）

策略	说明
allkeys-lru（推荐）	所有键淘汰最近最少使用
allkeys-lfu	所有键淘汰最少访问（4.0+，适配热点数据）
volatile-ttl	过期键中淘汰最早过期的
noeviction	不淘汰，直接报错（默认）

5.2 内存优化要点

• 优化键名长度
• 合理使用压缩结构阈值
• 关闭 THP（Transparent Huge Pages）
• 开启自动内存碎片整理
• 规避大 key / 热 key

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6. 高可用架构

6.1 主从复制

一主多从，主写从读，实现数据冗余与读写分离。

• 全量复制：初始同步，BGSAVE + RDB 传输
• 增量复制：断连续传，基于 replication backlog 环形缓冲区
• 注意：存在异步复制延迟问题

6.2 哨兵模式（Sentinel）

监控主从节点，自动故障转移、节点发现。

• 主观下线（SDOWN）→ 客观下线（ODOWN）判断机制
• 基于 Raft 算法选举哨兵 leader
• 实现主节点自动切换，适配中小型集群

6.3 集群模式（Cluster）

去中心化分布式架构，将数据分为 16384 个哈希槽分片存储。

• slot = CRC16(key) % 16384
• 支持水平扩容、节点故障自愈
• 适配大数据量、高并发场景

核心限制：

• 不支持多数据库（仅 db0）
• 跨槽位多键操作需 Hash Tag 适配
• 跨节点事务/Lua 脚本不支持

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7. 管道与发布订阅

7.1 管道（Pipeline）

批量打包多条命令一次发送，减少网络 RTT 开销，无原子性保障，适合批量读写场景。

Client  →  [CMD1, CMD2, CMD3]  →  Redis
Client  ←  [RES1, RES2, RES3]  ←  Redis

7.2 发布订阅（Pub/Sub）

消息发布与订阅解耦，支持普通订阅和模式订阅。

• 优点：实时性好，实现简单
• 缺点：消息不持久化、断线丢失数据
• 适用：实时通知、配置热更新等非可靠场景

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8. Stream 消息队列

Redis 5.0+ 持久化消息队列，弥补 Pub/Sub 不可靠的缺陷。

核心能力：

能力	说明
消息持久化	消息不丢失
消费者组	同组消息独占消费
消息 ACK	消费确认机制
超时重传	XCLAIM 认领超时消息
消息回溯	支持重新消费历史消息

核心命令：XADD、XREAD、XREADGROUP、XACK、XPENDING、XCLAIM

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9. 性能优化

9.1 核心优化点

层面	优化措施
客户端	使用连接池、Pipeline、批量命令，禁用 KEYS 大遍历
服务端	优化持久化策略、开启碎片整理、合理配置内存淘汰
业务侧	拆分大 key、打散热 key、规避批量过期

9.2 常见问题

• 大 key：引发网络卡顿、删除阻塞、主从延迟 → 需拆分优化
• 热 key：单节点压力过载 → 通过本地缓存、多副本打散解决

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10. 核心使用场景和技术对比

10.1 核心使用场景

场景	实现方式
热点缓存	旁路缓存（Cache Aside），解决数据库压力
分布式锁	SET NX PX + Lua 释放，保证原子性
接口限流	固定窗口 / 滑动窗口限流
排行榜系统	ZSet 实现实时排序
签到统计	Bitmap 极致省内存
延迟队列	ZSet 时间戳权重实现
地理位置服务	GEOADD / GEORADIUS 附近的人/店铺
消息队列	Stream 实现可靠异步通信

缓存三大问题与解决方案

问题	原因	解决方案
缓存穿透	查询不存在的数据	布隆过滤器、缓存空值
缓存击穿	热点 Key 瞬间过期	互斥锁、逻辑过期
缓存雪崩	大量 Key 同时过期	过期时间加随机值、多级缓存、集群高可用

10.2 核心技术对比

维度	Redis	Memcached	Etcd
数据结构	丰富（10+ 种）	仅 String	基本 KV
持久化	RDB + AOF	不支持	磁盘持久化
一致性	最终一致（异步）	无	强一致（Raft）
性能	极高（10 万+ QPS）	高	中等（万级 QPS）
高可用	主从/哨兵/集群	客户端哈希	Raft 集群
适用场景	缓存、队列、排行榜	简单缓存	配置中心、服务发现