この記事では、Redis の面接でよくある質問をいくつか整理して共有し、データ構造、メモリ モデル、IO モデル、永続 RDB などを含む Redis の中核となる知識ポイントについて説明します。あなたのお役に立ちますように！

なぜ Redis はこれほど速いのでしょうか?

多くの人は、これが K/V NoSQl インメモリ データベース、シングル スレッドであることしか知りません。これは、Redis を完全には理解しておらず、これ以上質問を続けることができないためです。

この質問は基本的な理解です。完全にメモリ、IO 多重化ネットワーク モデル、スレッド モデル、プログレッシブ リハッシュに基づいて、Redis のさまざまなデータ型の基礎となるデータ構造から実装できます...

redis.io/topics/benc…

この図は桁違いに反映されており、数値化することで面接官に公式文書を読んで非常に厳格であると感じさせます。

ディスク呼び出し

メモリ操作

String、List、Hash、Set、SortedSet の合計 5 つのデータ型があります。

マー兄弟のメッセージ: 各データ型の基礎となるデータ構造の利点を個別に説明できます。多くの人はデータ型しか知りませんが、基礎となるデータ構造を説明することで人々の目を輝かせることができます。

#SDS の単純な動的文字列の利点

SDS を len に保存します。文字列の長さ、文字列長情報をクエリするための時間計算量は O(1) です。
スペースの事前割り当て: SDS が変更された後、プログラムは SDS に必要なスペースを割り当てるだけでなく、追加の未使用スペースも割り当てます。
遅延スペース解放: SDS を短縮する場合、プログラムは余分なメモリスペースを再利用しませんが、空きフィールドを使用してバイト数を記録し、後で解放しません。追加操作が必要な場合は、空き領域の未使用領域が直接使用され、メモリ割り当てが削減されます。
zipList 圧縮リスト

圧縮リストは、リスト、ハッシュ、ソートされたセットの 3 つのデータ型の基礎となる実装の 1 つです。

リストに含まれるデータが少量で、各リスト項目が小さな整数値または比較的短い文字列の場合、Redis はリスト キーの基になる実装として圧縮リストを使用します。

#これにより、メモリがコンパクトになり、メモリが節約されます。

クイックリストは、ジップリストとリンクリストを組み合わせたものです。リンクリストをセグメントに分割します。各セグメントはコンパクトなストレージのためにジップリストを使用し、複数のジップリストは双方向ポインタを使用して直列に接続されます。

skipList スキップ リスト

スキップ リスト (スキップリスト) は、ノードに迅速にアクセスするという目的を達成するために、各ノード内の他のノードへの複数のポインターを維持する順序付けされたデータ構造です。

次の図に示すように、スキップ リストはリンク リストに基づいてマルチレベルのインデックスを追加し、インデックス位置の複数のジャンプを通じてデータの迅速な配置を実現します。

##整数配列 (intset)

Code Brother のメッセージ: Redis のシングルスレッドは

Redis の永続化、クラスターデータの同期、非同期削除などは、すべて他のスレッドによって実行されます。

Redis にはスレッドが 1 つしかないなどとは言わないでください。

シングル スレッドとは、Redis のキーと値のペアの読み取りおよび書き込み命令を 1 つのスレッドで実行することを指します。

最初に、他の人の意見に基づいていくつかのブログを引用するのではなく、人々に十分な厳しさを感じさせる正式な答えについて話しましょう。

正式な回答:

。シングルスレッドは実装が簡単で、CPU がボトルネックにならないため、シングルスレッド ソリューションを採用するのは合理的です。元のアドレス: redis.io/topics/faq。 マルチスレッド実行を使用して CPU を最大限に活用してみてはいかがでしょうか?

各タスクを実行する前に、CPU はタスクがどこでロードされ、実行が開始されたかを認識する必要があります。つまり、システムは、CPU コンテキストと呼ばれる、事前に CPU レジスタとプログラム カウンタを設定するための支援を必要とします。

マルチスレッド開発を導入するには、共有リソースの同時読み取りと書き込みを保護するために同期プリミティブを使用する必要があり、コードが複雑になり、デバッグが困難になります。

スレッドの作成によるパフォーマンスの消費はありません。

1. Avoid ロックの追加、ロックの解放、デッドロックなど、スレッド間の競合の問題が排除され、さまざまなロックの問題を考慮する必要がなくなります。
2. コードがより明確になり、処理ロジックがシンプルになりました。
3. I/O 多重化モデル
4. Redis は、I/O 多重化テクノロジを使用して接続を同時に処理します。 epoll 自体によって実装された単純なイベント フレームワークが使用されます。

epoll での読み取り、書き込み、終了、接続はすべてイベントに変換され、epoll の多重化機能を使用して IO に時間を無駄にすることはありません。

Redis グローバル ハッシュ ディクショナリ

Redis 全体は、データ型が 5 つのタイプのいずれであるかに関係なく、すべてのキーと値のペアを保存するハッシュ テーブルです。ハッシュ テーブルは本質的に配列であり、各要素はハッシュ バケットと呼ばれ、データ型に関係なく、各バケット内のエントリは実際の特定の値へのポインタを保持します。

Redis はオブジェクト (redisObject) を使用してデータベース内のキー値を表します。Redis でキーと値のペアを作成すると、少なくとも 2 つのオブジェクトが作成されます。1 つのオブジェクトは、キーと値のペア。もう 1 つはキーと値のペアの値オブジェクトです。

つまり、各エントリには「キーと値のペア」の redisObject オブジェクトが格納され、対応するデータは redisObject のポインターを通じて検索されます。

typedef struct redisObject{
    //类型
   unsigned type:4;
   //编码
   unsigned encoding:4;
   //指向底层数据结构的指针
   void *ptr;
    //...
 }robj;

ハッシュ競合どうすればいいですか?

Redis は

を通じて競合を解決します。

。ただし、リンクリストが長すぎると検索性能が低下する可能性があるため、Redisでは高速性を追求するために2つのグローバルハッシュテーブルを使用しています。既存のハッシュ バケットの数を増やし、ハッシュの競合を減らすための再ハッシュ操作に使用されます。 デフォルトでは、キーと値のペアのデータを保存するために「ハッシュ テーブル 1」を使用して開始します。現時点では、「ハッシュ テーブル 2」にはスペースが割り当てられていません。ますます多くのデータが再ハッシュ操作をトリガーすると、次の操作が実行されます。

1. 「ハッシュ テーブル 2」にさらに多くのスペースを割り当てます;
2. 「ハッシュ テーブル 1」のデータを「ハッシュ テーブル 2」に再マップしてコピーします;
3. 次のスペースを解放しますハッシュテーブル1。

データをハッシュ テーブル 1 からハッシュ テーブル 2 に再マッピングするプロセスは 1 回限りのプロセスではないことに注意してください。これにより、Redis がブロックされ、サービスを提供できなくなります。 。

代わりに、プログレッシブ リハッシュが使用されます。クライアント リクエストが処理されるたびに、「ハッシュ テーブル 1」の最初のインデックスから開始され、この位置が再ハッシュされます。すべてのデータは「ハッシュ テーブル 2」にコピーされ、時間のかかるブロックを避けるために再ハッシュが複数のリクエストに分散されます。

Redis はどのようにして永続性を実現しますか?クラッシュ後にデータを回復するにはどうすればよいですか?

Redis のデータ永続化では「RDB データ スナップショット」方式を採用し、ダウンタイムからの迅速な復旧を実現します。ただし、完全なデータ スナップショットを頻繁に実行すると、次の 2 つの重大なパフォーマンス オーバーヘッドが発生します。

1. RDB ファイルを頻繁に生成してディスクに書き込むため、過剰なディスク負荷が発生します。前の RDB がまだ実行されていないように見え、次の RDB が再び生成され始め、無限ループに陥ります。
2. bgsave サブプロセスからフォークアウトすると、メイン スレッドがブロックされます。メイン スレッドのメモリが大きいほど、ブロック時間も長くなります。

そのため、Redis は、メモリを変更するための指示を記録するための AOF 書き込み後ログも設計しました。

インタビュアー: RDB メモリ スナップショットとは何ですか?

Redis が「write」コマンドを実行すると、メモリ データは変更され続けます。いわゆるメモリ スナップショットとは、ある時点での Redis メモリ内のデータのステータス データを指します。

それは、ある瞬間に時間が止まっているようなもので、写真を撮ると、その瞬間を写真として完全に記録することができます。

Redis もこれに似ており、特定の瞬間のデータをファイルの形式でキャプチャし、ディスクに書き込みます。このスナップショットファイルは RDB ファイルと呼ばれます (RDB は Redis DataBase の略です)。

#データリカバリを行う場合、RDBファイルをメモリ上に直接読み込んでリカバリを完了します。

インタビュアー: RDB の生成中に、Redis は書き込みリクエストを同時に処理できますか?

はい、Redis はオペレーティング システムのマルチプロセス コピー オン ライト テクノロジ COW (コピー オン ライト) を使用して、スナップショットの永続性を実現し、データの一貫性を確保します。

Redis は永続化 fork 中に glibc 関数を呼び出して子プロセスを生成します。スナップショットの永続化は子プロセスによって完全に処理され、親プロセスはクライアント要求の処理を続行します。

メインスレッドが書き込みコマンドを実行してデータを変更すると、データがコピーされます bgsave 子プロセスはコピーデータを読み取り、RDB ファイルに書き込みます。

これにより、スナップショットの整合性が保証されるだけでなく、メインスレッドが同時にデータを変更できるようになり、通常のビジネスへの影響が回避されます。

インタビュアー: それで、AOF とは何ですか?

AOF ログには、Redis インスタンスの作成以降に変更されたすべての命令シーケンスが記録されます。その後、空の Redis インスタンスですべての命令を順番に実行する、つまり「再生」することで復元できます。 Redis の現在のインスタンスのメモリ データ構造の状態。

Redis によって提供される AOF 構成アイテムappendfsyncライトバック戦略は、AOF 永続化機能の効率とセキュリティを直接決定します。

• always: 同期ライトバック。書き込みコマンドの実行直後に、aof_buf バッファー内の内容が AOF ファイルに書き込まれます。
• everysec: 1 秒ごとに書き戻します。書き込みコマンドの実行後、ログは AOF ファイル バッファにのみ書き込まれ、バッファの内容は 1 秒ごとにディスクに同期されます。 。
• no: オペレーティング システムの制御下で、書き込み実行が完了すると、ログは AOF ファイル メモリ バッファに書き込まれ、オペレーティング システムがそれをいつフラッシュするかを決定します。ディスク。

両方の利点を生かした戦略は存在しません。パフォーマンスと信頼性の間でトレードオフを行う必要があります。

インタビュアー: RDB には 2 つのパフォーマンスの問題があるため、AOF を使用しないのはなぜでしょうか。

AOF 書き込み前ログは、各「書き込み」コマンド操作を記録します。 RDB フルスナップショットのようなパフォーマンスの低下はありませんが、実行速度は RDB ほど速くなく、同時にログ ファイルが大きすぎるとパフォーマンスの問題も発生します。

そこで、Redis はキラーな「AOF 書き換えメカニズム」を設計しました。Redis は、AOF ログをスリム化するための bgrewriteaof 命令を提供します。

原理は、サブプロセスを開いてメモリを走査し、それを一連の Redis 操作命令に変換し、新しい AOF ログ ファイルにシリアル化することです。シリアル化完了後、運用中に発生した増分AOFログが新しいAOFログファイルに追記され、追記完了後直ちに古いAOFログファイルと置き換えられ、スリム化作業が完了します。

#インタビュアー: パフォーマンスを考慮しながら、データ損失を最小限に抑えるにはどうすればよいですか?

Redis を再起動する場合、大量のデータが失われるため、rdb を使用してメモリ状態を復元することはほとんどありません。通常はAOFログリプレイを使用しますが、AOFログリプレイはRDBに比べてパフォーマンスが非常に遅いため、Redisインスタンスが大きい場合には起動に時間がかかります。

この問題を解決するために、Redis 4.0 では新しい永続化オプション ハイブリッド永続化 が導入されました。 rdb ファイルの内容を増分 AOF ログ ファイルと一緒に保存します。ここでの AOF ログは完全なログではなく、永続化の開始から永続化の終了までの期間中に発生した増分 AOF ログ です。通常、AOF ログのこの部分は非常に小さいです。

Redis を再起動すると、最初に rdb コンテンツをロードしてから、増分 AOF ログを再生することができます。これにより、以前の AOF フル ファイル再生を完全に置き換えることができ、再起動の効率が大幅に向上します# # ＃。 Redis マスター/スレーブ アーキテクチャのデータ同期

Redis は、マスター/スレーブ レプリケーションを通じてデータの冗長コピーを他の Redis サーバーにコピーするマスター/スレーブ モードを提供します。

レプリカ データの一貫性を確保するために、マスター/スレーブ アーキテクチャでは読み取り/書き込み分離方式が採用されています。

• 書き込み操作: マスター ライブラリが最初に実行し、次に書き込み操作をスレーブ ライブラリに同期します。

1. 負荷分散: マスター ノードは書き込みサービスを提供し、スレーブ ノードは書き込みサービスを提供します。プレッシャーを共有するためにサービスを読む ;
2. 高可用性の基礎: これは Sentinel とクラスターの実装の基礎であり、高可用性の基礎です。

同期は 3 つの状況に分けられます:

1. マスターの通常動作中の同期-slave;
2. マスター ライブラリとスレーブ ライブラリ間のネットワークが切断され、同期のために再接続されます。

スレーブライブラリはメインライブラリとの接続を確立し、ライブラリからreplicaofを実行してpsyncコマンドを送信し、メインライブラリに同期が行われることを通知し、メインライブラリが応答を確認した後、マスターとスレーブ間の同期が行われます。ライブラリが始まります
1. 。 マスター ライブラリはデータをスレーブ ライブラリに同期します。マスターは
bgsave
2. コマンドを実行して RDB ファイルを生成し、そのファイルをスレーブ ライブラリに送信します。 #main library は各スレーブに対して開きます。 レプリケーション バッファには、RDB ファイルの生成以降に受信したすべての書き込みコマンドが記録されます。ライブラリから RDB を保存し、データベースをクリアしてから、RDB データをメモリにロードします。 RDB 後に受信した新しい書き込みコマンドをスレーブ ライブラリに送信します: RDB ファイル生成後の書き込み操作は、先ほどの RDB ファイルには記録されません。マスター/スレーブ ライブラリ データの一貫性を確保するためです。 、マスター ライブラリ RDB ファイルの生成後に、すべての書き込み操作を記録するためにメモリ内でレプリケーション バッファが使用されます。そして内部のデータをスレーブに送信します。
3. インタビュアー: マスター データベースとスレーブ データベース間のネットワークが切断された場合はどうすればよいですか?切断後、再度ボリューム全体をコピーする必要がありますか?

Redis 2.8 より前は、コマンドの伝播中にマスター/スレーブ ライブラリでネットワーク中断が発生した場合、スレーブ ライブラリはマスター ライブラリのフル コピーを再度実行していましたが、これは非常にコストがかかりました。

ネットワーク中断などの後のレプリケーションに使用されます。中断中にマスター ノードによって実行された書き込みコマンドのみがスレーブ ノードに送信され、フル レプリケーションよりも効率的です## ＃。

増分レプリケーションの切断と再接続の秘密は、repl_backlog_buffer バッファです。メモリが限られているため、マスターはいつでも書き込み命令操作を

に記録します。 , repl_backlog_buffer は固定長の循環配列であり、配列の内容がいっぱいの場合は、前の内容を最初から上書きします。 マスターは master_repl_offset を使用して自身が書き込んだ位置オフセットを記録し、スレーブは

を使用して読み取られたオフセットを記録します。

runID## を変更します。 #, slave_repl_offset

マスターは、master_repl_offset と slave_repl_offset

増分コピーの実行プロセスは次のとおりです:

インタビュアー: 完全同期が完了した後、通常の操作中にデータを同期するにはどうすればよいですか?

マスター/スレーブ ライブラリが完全なレプリケーションを完了すると、それらの間のネットワーク接続が維持されます。マスター ライブラリはこの接続を使用して、連続して受信した後続のコマンド操作をスレーブ ライブラリに同期します。このプロセスもこれは長い接続に基づくコマンド伝播として知られていますが、長い接続を使用する目的は、頻繁な接続確立によって生じるオーバーヘッドを回避することです。

センチネル原則 Q&A

インタビュアー: もちろん、よく知っていますが、センチネル クラスター原則をご存知ですか?

Sentinel は Redis の動作モードです。Redis インスタンス (マスター ノード、スレーブ ノード) の実行ステータスの監視に焦点を当てており、マスター ノードに障害が発生した場合に一連のアクションを渡すことができます。この仕組みにより、マスター選択とマスター/スレーブ切り替えが実現され、フェイルオーバーが実現され、Redis システム全体の可用性が確保されます。

• 監視 : マスターとスレーブが期待どおりの動作状態にあるかどうかを継続的に監視します。
• マスター データベースを自動的に切り替える: マスターに障害が発生すると、Sentinel は自動障害回復プロセスを開始します。スレーブの 1 つを新しいマスターとして選択します。
• 通知: スレーブにreplicaofを実行させて新しいマスターと同期させ、クライアントに新しいマスターとの接続を確立するように通知します。

インタビュアー: センチネルたちはどうやってお互いを知っているのですか?

の専用チャネルがあり、センチネル間でメッセージをパブリッシュおよびサブスクライブするために使用されます。 これは __sentinel__:hello WeChat グループのようなものです。センチネルはマスターによって設立された WeChat グループを使用して自分のメッセージを公開し、同時に他のセンチネルがリリースしたメッセージに注意を払います。

重要なのは、マスターを使用してそれを達成することです。センチネルは

コマンドをマスターに送信します。マスターは当然、自分のセクトの下にあるすべてのスレーブを知っています。したがって、マスターがコマンドを受信すると、センチネルにスレーブのリストを伝えます。 センチネルは、マスターから応答されたスレーブリスト情報に基づいて各スレーブとの接続を確立し、この接続に基づいてセンチネルを継続的に監視します。

クラスター クラスター シリアル キャノン

高可用性を実現するためのクラスター クラスターがあります。Sentinel クラスターによって監視される Redis クラスターはマスター/スレーブ アーキテクチャを採用しているため、簡単に拡張できません。

Redis クラスターは分散データベース ソリューションであり、クラスターはシャーディング (「分割統治思考」の実践) を通じてデータを管理し、レプリケーションおよびフェイルオーバー機能を提供します。

データを 16384 個のスロットに分割し、各ノードがスロットの一部を担当します。スロット情報は各ノードに格納されます。

分散型です。図に示すように、クラスターは 3 つの Redis ノードで構成されます。各ノードはクラスター全体のデータの一部を担当します。各ノードが担当するデータの量は、異なる。

3 つのノードは相互に接続されてピアツーピア クラスターを形成し、

プロトコルを通じて相互にクラスター情報を交換します。そして最後に、各ノードは他のノードへのスロットの割り当てに応じて保存します。

1. 16 ビット値のモジュロ 16384 を実行して、 get 0 ~ 16383 という数字は、キーに対応するハッシュ スロットを表します。
2. スロット情報に基づいて、対応するインスタンスを見つけます。
3. キーと値のペアのデータ、ハッシュ スロット、および Redis インスタンス間のマッピング関係は次のとおりです:

Redis クラスター ノードは、Gossip プロトコルを使用して、自身のステータスとクラスター全体の知識の変更をブロードキャストします。たとえば、ノードが特定のノードの切断 (PFail) を検出すると、この情報がクラスター全体にブロードキャストされ、他のノードもこの切断された接続情報を受信できます。

ノードからの切断数 (PFail Count) がクラスターの大部分に達したことをノードが受信した場合、そのノードはオフライン (Fail) であると判断されたものとしてマークし、ノード全体にブロードキャストできます。他のノードもノードがオフラインになったことを強制的に受け入れ、失われたノードでマスター/スレーブの切り替えを直ちに実行します。

インタビュアー: クライアントは、アクセスされたデータがどのインスタンスに分散されているかをどのように判断しますか?

Redis インスタンスは、Gossip プロトコルを通じてクラスター内の他のインスタンスにハッシュ スロット情報を送信し、ハッシュ スロット割り当て情報の拡散を実現します。

このようにして、クラスター内の各インスタンスは、すべてのハッシュ スロットとインスタンスの間のマッピング関係情報を持ちます。

クライアントが任意のインスタンスに接続すると、インスタンスはハッシュ スロットとインスタンスの間のマッピング関係をクライアントに応答し、クライアントはハッシュ スロットとインスタンスのマッピング情報をローカルにキャッシュします。

クライアントがリクエストを行うと、キーに対応するハッシュ スロットが計算され、ローカルにキャッシュされたハッシュ スロット インスタンスのマッピング情報を通じてデータが配置されているインスタンスが特定され、リクエストは対応するインスタンスに送信されます。

#インタビュアー: Redis リダイレクト メカニズムとは何ですか?

ハッシュ スロットとインスタンスの間のマッピング関係は、新しいインスタンスまたは負荷分散の再分散により変更されました。クライアントはインスタンスにリクエストを送信しますが、このインスタンスには対応するデータがありません。 Redis インスタンスは、クライアントにリクエストを他のインスタンスに送信するよう指示します。

Redis は、MOVED エラーと ASK エラーを通じてクライアントに通知します。

MOVED

MOVED エラー (負荷分散、データは他のインスタンスに移行されました): クライアントがキーと値のペアの操作リクエストをインスタンスに送信するとき、キーが配置されているスロットがそれ自体によって所有されていない場合、インスタンスは MOVED エラーを返し、スロットを担当するノードにリダイレクトされます。

同時に、クライアントはローカル キャッシュも更新し、スロットと Redis インスタンス の間の対応関係を正しく更新します。

クライアントが要求したキーが存在するハッシュ スロットはインスタンス 2 に移行されます。まず ASKING コマンドをインスタンス 2 に送信し、次に操作コマンド を送信します。

ASK エラー コマンドは、クライアントのキャッシュされたハッシュ スロット割り当て情報 を更新しません。

元のアドレス: https://juejin.cn/post/6976257378094481444

著者: Code Brother Byte

プログラミングビデオ! ！

以上が高頻度の Redis 面接の質問を共有すると、核となる知識ポイントを習得するのに役立ちます。の詳細内容です。詳細については、PHP 中国語 Web サイトの他の関連記事を参照してください。