Redis 核心原理与高可用架构实践

一、Redis 概述

1. 特点

高性能：10万~100万+ QPS，微秒级响应
丰富数据结构：String、Hash、List、Set、Sorted Set
原子操作：单命令原子性，支持事务（MULTI/EXEC）
持久化：RDB 快照 + AOF 日志
主从复制、哨兵、集群（Cluster）高可用方案

2. 优势

基于内存，C语言实现
单线程模型（6.0前）+ IO多路复用（epoll）
支持多种编程语言客户端
功能丰富：Lua脚本、发布订阅、Pipeline、Key过期等

二、数据类型及常用命令

1. String

SET key value [EX seconds] [NX|XX]
GET key
INCR / DECR（原子计数器）
MSET / MGET（批量操作）
SETNX（分布式锁基础）

2. List

LPUSH / RPUSH（左/右插入）
LPOP / RPOP（左/右弹出）
LRANGE key start stop（范围查询）
BLPOP / BRPOP（阻塞式弹出）

3. Set

SADD key member（添加）
SMEMBERS key（查看全部）
SINTER / SUNION / SDIFF（交集/并集/差集）

4. Sorted Set（ZSet）

ZADD key score member（添加带分值元素）
ZRANGE / ZREVRANGE（按分数升/降序获取）
ZRANK（排名）、ZSCORE（获取分数）

5. Hash

HSET key field value / HGET key field
HMSET / HMGET（批量）
HGETALL（获取所有字段及值）
HDEL（删除字段）

三、高级特性

1. 管道（Pipeline）

将多个命令打包一次发送，减少 RTT
适用场景：批量操作，网络延迟高时效果显著

2. 发布/订阅（Pub/Sub）

SUBSCRIBE channel / PUBLISH channel message
PSUBSCRIBE pattern（模式订阅）
消息即发即弃，无持久化

3. 事务

MULTI 开启，EXEC 执行，DISCARD 取消
不支持回滚，但保证命令顺序执行

4. Lua 脚本

原子性执行多个操作
EVAL script numkeys key [key ...] arg [arg ...]

四、持久化

1. RDB（快照）

触发方式：save（阻塞）、bgsave（fork子进程）
配置：save 900 1 等
优点：恢复快，文件紧凑
缺点：可能丢失最后一次快照后的数据

2. AOF（追加日志）

记录每个写命令，重启时重放
策略：always / everysec / no
重写：bgrewriteaof 或自动触发（auto-aof-rewrite-percentage）
优点：数据更安全，最多丢1秒数据
缺点：文件大，恢复慢

3. 混合持久化（RDB+AOF）

AOF 文件以 RDB 格式开头 + 增量命令
快速恢复 + 数据安全

五、主从复制

1. 概念

一个 Master 多个 Slave，数据单向同步
Master 可读写，Slave 只读

2. 配置

replicaof <master_ip> <master_port>
info replication 查看状态

3. 同步流程

Slave 发送 SYNC/PSYNC
Master 生成 RDB 并发送，后续增量命令持续同步

六、哨兵模式（Sentinel）

1. 作用

监控主从健康，自动故障转移
提供主节点地址给客户端

2. 核心配置

conf 复制代码

sentinel monitor mymaster 192.168.108.10 6379 2
sentinel down-after-milliseconds mymaster 30000

3. 故障转移流程

主观下线（SDOWN）
客观下线（ODOWN，多数哨兵确认）
选举 Leader
提升最优 Slave 为新 Master
更新其他 Slave 复制目标

七、Redis Cluster（集群）

1. 特点

无中心架构，数据分片（16384 个哈希槽）
每个 Master 负责一部分槽，可配 Slave
自动故障转移（无需 Sentinel）

2. 数据映射

HASH_SLOT = CRC16(key) mod 16384

3. 搭建要点

至少 3 主 3 从
配置 cluster-enabled yes
创建集群：redis-cli --cluster create <ip:port> ... --cluster-replicas 1

4. 故障转移

主节点宕机，其 Slave 自动选举为新 Master
集群状态变为 ok 需大部分槽可用

八、缓存典型问题

问题	定义	解决方案
雪崩	大量 Key 同时过期或 Redis 宕机	过期时间加随机值；高可用集群；限流熔断；多级缓存
穿透	查询不存在的数据（缓存+DB 都无）	缓存空值（短 TTL）；布隆过滤器
击穿	热点 Key 过期，大量并发打到 DB	互斥锁；永不过期（后台异步更新）

九、常用管理命令

命令	说明
`INFO [section]`	查看服务器信息
`CONFIG GET/SET parameter`	动态修改配置（部分参数）
`SLOWLOG GET/LEN/RESET`	慢查询日志
`KEYS pattern`	查找 Key（生产慎用，阻塞）
`DBSIZE`	当前库 Key 数量
`FLUSHDB / FLUSHALL`	清空当前/所有库（建议禁用）
`EXPIRE / TTL`	设置/查看过期时间
`SELECT dbindex`	切换数据库（Cluster 不支持）

十、性能与安全建议

避免使用 KEYS *，改用 SCAN 游标迭代
设置 rename-command FLUSHALL "" 等禁用危险命令
使用 requirepass 设置密码
生产环境开启 protected-mode yes 并绑定内网 IP
合理设置 maxmemory 及淘汰策略（如 allkeys-lru）
大 Key 拆分，避免慢操作