Redis：高级特性和底层工作原理

高级特性

简单消息队列

可以用list的rpush+lpop实现简单的消息队列功能（用blpop可以阻塞连接直到有消息时才返回）

发布订阅模式

消费者通过subscribe订阅一个频道，生产者通过publish发布消息到频道，实现多条发布。
通过unsubscribe取消订阅。
订阅的频道可以用通配符，比如（*）。

Redis事务

事务：保证指令一次性执行，和传统事务的区别是假如执行了，中途有错误也无法回滚（语法错误例外，语法错误会导致都不能执行）
指令

• MULTI：开启事务（不能嵌套）
• EXEC：执行事务
• DISCARD：中途放弃事务的执行
• WATCH：类似乐观锁的实现，监视一个KEY，假如KEY的值中途有修改，会阻止这个事务的执行
• UNWATCH
  多条命令一次性执行，只保证执行的"原子性"

Lua脚本

好处

• 一次发送多个命令，减少网络开销
• 原子性
• lua file 实现命令集的复用

使用

• redis中调用脚本：eval script (参数key) (参数value)
• lua脚本中执行redis：redis.call(command, key [param1, param2...])，command是命令，key是键，param代表给key的参数
• 设置lua脚本命令执行超时时间，避免出现意想不到的bug（redis是单线程的），但是超时以后也是只接受不执行，为了保证原子性，这时候需要执行script kill命令，但是假如脚本中已经有数据变更了，执行script kill命令也杀不掉。这时候只能shutdown了。。。。。所以使用lua脚本要注意脚本的稳健性。

案例
限流令牌桶

Redis为什么这么快

1、纯内存操作，KV结构（时间复杂度O1）
2、单线程：没有创建、销毁线程的开销，也不需要上下文的切换
3、多路复用I/O
为什么不用多线程？Redis的瓶颈在于内存，用多线程会提高复杂度，所以使用了单线程。

虚拟内存

• 物理内存共享出现不安全的问题，使用空间有限
• 使用虚拟内存可以提高使用空间，划分用户使用空间

用户空间user space和内核空间kernel space

• 内核态：进程运行在内核空间
• 用户态：进程运行在用户空间

上下文切换

CPU分时间片运行时，需要保存程序计数器等信息，然后切换，就叫上下文切换，比较耗资源。

多路复用I/O

传统I/O阻塞

非阻塞I/O（NIO）少了准备数据的阻塞过程，等待数据准备过程中是非阻塞的。
异步I/O（AIO）少了自己主动拷贝数据的过程，拷贝过程中也是非阻塞的。

多路复用I/O：服务端会和多个客户端socket连接，使用轮询的方式轮询访问socket，任意一个socket的数据准备好了都执行读取该socket的数据。使得一个进程可以快速的保持多个连接，优点是连接多。

Redis的过期策略

定时过期：每个key创建一个定时器，但是key很多的时候定时器很多。
惰性过期：下次访问key的时候，判断key是否已过期，过期则删除。（对内存不友好，过期的还在占用内存）
set memory到达上限时，调用activeExpireCycle()释放内存
定期过期：每次扫描一定数量，采样删除。

redis中使用了惰性过期（访问键）和定期过期（一定时间扫描）。

全都没有过期时间怎么办

淘汰策略

• allkeys-lru 最近最少使用

• allkeys-random

• (exception)noeviction 不淘汰

• allkeys-lfu 一段时间内使用最少

• volatile-lfu 一段时间内使用最少 （只针对ttl）

• volatile-lru

• volatile-ttl 把最快过期的删除

• volatile-random

• lru算法通过对象里使用一个缓存的lru时间戳来比较，当前缓存时间与对象lru时间戳距离越久，说明热度越低。

• lfu算法和lru同一个字段，分位统计，高16位记录访问时间，低8位记录访问频率

持久化机制

RDB redis database

默认的持久化方案，生成快照dump.rdb到磁盘中，重启时根据该文件恢复，
触发机制：save seconds changes
save 900 1
save 300 10
save 60 10000

手动触发：save命令（会阻塞），redis自身是异步持久化数据，bgsave，fork子进程生成快照，并替换原来的rdb文件。

• 优点：恢复速度快；rdb文件紧凑，适合备份
• 缺点：有一定延迟，不能非常精准的备份。

AOF append only file

默认不开启，需要通过配置开启
保存操作指令，也有触发机制：appendfsync
appendfsync always（每次操作都存储）
appendfsync everysecond（每秒同步一次，最常用）
appendfsync no（由系统自行决定什么时候同步）
文件特别大时可以通过rewrite指令压缩，bgrewriteaof，系统根据配置参数（上次重写比例和最小大小）来重写。
重写的时候假如有新指令过来会缓存新指令，AOF重写结束后将缓存命令追加到AOF里面中。

• 优点：安全性高
• 缺点：恢复速度慢