中间件全景 · 第5节 · 缓存中间件：Redis 与 Memcached

缓存中间件：Redis 与 Memcached

Cache Middleware · Redis / Memcached

Redis 就是内存里的百货商店——内存键值数据库，C 语言写的，单线程事件驱动，性能极高，缓存/会话/排行榜/分布式锁全能选手。读一次数据库要 10ms，读一次 Redis 只要 0.1ms，差 100 倍。热点数据放 Redis，数据库就不用被反复敲。Memcached 是纯内存 KV，多线程，简单轻量，但功能远不如 Redis 丰富。

4.1 Redis 是什么

论Redis 的脾气

内存键值数据库，C 语言写的，单线程事件驱动，性能极高。Redis 把数据全放内存，读写都是内存操作，每秒十万次读写轻轻松松。它不只是一个缓存——它支持 9 种数据结构（String/List/Hash/Set/ZSet/Bitmap/HyperLogLog/Geo/Stream），能做排行榜、分布式锁、消息队列、限流，简直是"瑞士军刀"。

Redis 8.x 新特性：向量搜索（RediSearch 整合）、JSON 模块增强、时序数据支持。但核心 set/get 命令没变，老配置文件基本兼容。

4.2 安装：Docker 最省事

docker run -d --name redis \
  -p 6379:6379 \
  redis:8.0 --requirepass yourpassword

# 用 redis-cli 连进去
docker exec -it redis redis-cli -a yourpassword

127.0.0.1:6379> SET name "redis" OK 127.0.0.1:6379> GET name "redis"

4.3 核心配置 redis.conf

# redis.conf 关键配置
bind 0.0.0.0              # 监听所有网卡（生产要限制）
port 6379
daemonize yes                 # 后台运行
requirepass yourpassword       # 设置密码（生产必设！）

# 内存管理
maxmemory 2gb                  # 最多用 2G 内存
maxmemory-policy allkeys-lru  # 内存满了按 LRU 淘汰最久不用的 key

# 持久化
appendonly yes                # 开启 AOF 持久化
appendfsync everysec          # 每秒刷盘（性能和安全的平衡）

dir /var/lib/redis            # 数据存放目录

4.4 九大数据结构（每个配命令 + 应用场景）

Redis 九种数据结构及应用场景，面试必背
结构	常用命令	解释	应用场景
String	`SET/GET/INCR/EXPIRE`	最基本的 KV，值可以是字符串/数字/二进制	缓存对象、计数器、分布式锁
Hash	`HSET/HGET/HGETALL`	键值对集合，像一个小字典	存用户信息（user:1 → name/age/email）
List	`LPUSH/RPUSH/LPOP/RPOP/LRANGE`	双向链表，两端进出	消息队列、最新动态列表
Set	`SADD/SMEMBERS/SISMEMBER/SINTER`	无序去重集合	标签、共同好友、去重
ZSet	`ZADD/ZRANGE/ZRANK`	有序集合，每个元素带 score 排序	排行榜、热度榜、延迟队列
Bitmap	`SETBIT/GETBIT/BITCOUNT`	位操作，一个 bit 存一个状态	签到打卡、用户在线状态
HyperLogLog	`PFADD/PFCOUNT/PFMERGE`	基数统计（去重计数），省内存	UV 统计（百万级只需 12KB）
Geo	`GEOADD/GEORADIUS`	地理位置（经纬度）	附近的人/店
Stream	`XADD/XREAD/XGROUP`	消息流（Kafka 轻量版）	轻量级消息队列

4.5 持久化：RDB 和 AOF

RDB vs AOF 持久化对比
对比点	RDB（快照）	AOF（日志）
原理	定时把内存数据全量快照存磁盘	每写一条命令追加到日志文件
恢复速度	快（直接加载快照）	慢（重放所有命令）
数据安全	差（两次快照之间崩了丢数据）	好（everysec 最多丢 1 秒）
文件大小	小（压缩二进制）	大（文本日志）
生产建议	做备份	开 everysec，和 RDB 混合

Redis 4.0+ 支持 RDB+AOF 混合持久化：重启时先加载 RDB 快速恢复，再重放 AOF 增量。生产推荐这个模式。

4.6 过期策略与淘汰策略

论key 过期了怎么办

主动过期：Redis 每秒随机抽几个设了 TTL 的 key 检查，过期了就删。惰性过期：你访问一个 key 时才检查它过没过期。两种结合，省 CPU 又省内存。

内存满了怎么办？六种淘汰策略：

maxmemory-policy 六种淘汰策略
策略	淘汰谁
`noeviction`	不淘汰，写直接报错（默认）
`allkeys-lru`	所有 key 里淘汰最久没用的（最常用）
`volatile-lru`	只在设了 TTL 的 key 里 LRU 淘汰
`allkeys-lfu`	所有 key 里淘汰最少用的（8.x 推荐）
`volatile-lfu`	只在设了 TTL 的 key 里 LFU 淘汰
`volatile-ttl`	淘汰最快过期的

4.7 缓存三大问题：穿透、击穿、雪崩

缓存三大经典问题，面试必考
问题	原因	解决方案	一句话
缓存穿透	查一个根本不存在的 key，每次都打到数据库	布隆过滤器（Bloom Filter）拦住；缓存空值	坏人查不存在的数据
缓存击穿	某个热点 key 突然过期，瞬间大量请求打到数据库	热点 key 不过期；互斥锁（只放一个请求去查库）	热点 key 过期瞬间
缓存雪崩	大量 key 同时过期，或 Redis 挂了，请求全打数据库	过期时间加随机值；Redis 集群；熔断降级	大片 key 同时过期

布隆过滤器是什么

布隆过滤器是一个巨大的 bit 数组 + 多个哈希函数。把数据哈希到位数组里，查的时候看对应位是不是 1。它说"不存在"就一定不存在，说"存在"可能误判。所以：先用布隆过滤器挡一道，说不存在的直接返回，不用去查 Redis 和数据库。Redis 自己就支持布隆过滤器模块（RedisBloom）。

4.8 分布式锁：SET NX PX

多台应用同时操作同一个资源（比如扣库存），要加分布式锁。最简单的实现：SET lock_key unique_value NX PX 30000——NX 表示"key 不存在才设"，PX 表示"30 毫秒后自动过期"。用完了 DEL 掉。

# 加锁：只有一个线程能成功
SET lock:order:1001 "uuid-1234" NX PX 30000

# 处理业务...

# 释放锁：用 Lua 脚本确保"只删自己的锁"
if redis.call("get", KEYS[1]) == ARGV[1] then
  return redis.call("del", KEYS[1])
else
  return 0
end

论Redisson：别自己造轮子

生产环境别手写分布式锁。Redisson（Java 客户端）封装好了：可重入锁、公平锁、读写锁、锁续期（watch dog）——你设了 30 秒过期，但业务还没跑完，它自动续期，不用怕锁提前释放。

Redlock 算法：如果单 Redis 挂了锁就丢了，Redlock 要求同时往 5 个独立 Redis 节点加锁，超过半数（3 个）成功才算拿到锁。但争议大，大多数场景用 Redisson + 单 Redis 主从就够了。

4.9 主从复制、哨兵、集群

Redis 三种高可用方案
方案	原理	适合
主从复制	主写从读，主写从同步。主挂了要手动切换	读多写少，容灾要求不高
哨兵 Sentinel	独立进程监控主从，主挂了自动选新主并通知客户端	中小规模，自动故障转移
集群 Cluster	16384 个哈希槽分到多节点，每个节点管一部分槽，自动分片+故障转移	大规模、数据量大、要水平扩展

Cluster 的哈希槽：Redis Cluster 把所有 key 分到 16384 个槽里，每个 Master 节点管一段槽。新增节点时把槽迁过去就行。客户端连任何节点，收到 MOVED 重定向就去正确节点找。

4.10 完整案例：Redis 商品秒杀

秒杀场景：100 件商品，瞬间 1 万人来抢。数据库直接打挂？用 Redis 扛：库存放 Redis，扣减用 Lua 脚本（原子操作，防超卖），抢成功的人写数据库，没抢到的直接返回。

# 1. 初始化库存（提前把库存放 Redis）
SECKILL:stock:1001 100     # 商品 1001，库存 100

# 2. Lua 脚本：原子扣库存（防超卖）
local stock = redis.call("get", KEYS[1])
if stock == false then
  return -1          # 商品不存在
end
if tonumber(stock) <= 0 then
  return 0           # 卖完了
end
redis.call("decr", KEYS[1])
return 1             # 抢成功

# 3. Java 调用（Spring Boot + Redisson）
# RScript.eval() 执行 Lua 脚本，返回 1 = 抢成功，去写数据库订单

4.11 Memcached：纯内存 KV，轻量但功能少

Redis vs Memcached 选型
对比点	Redis	Memcached
数据结构	9 种（String/Hash/List/ZSet...）	只有 String
持久化	RDB + AOF	不支持，重启就没
线程模型	单线程（事件驱动）	多线程
集群	原生 Cluster	客户端分片
内存管理	多种淘汰策略	Slab 分配
适合	复杂业务、排行榜、分布式锁	纯缓存、简单 KV

现在 90% 的场景用 Redis。Memcached 只剩一些老项目和纯缓存场景。它唯一的优势是多线程、简单，但 Redis 单线程已经够快了。

4.12 Redis 面试重点

Q1：Redis 为什么快？

查看答案

纯内存操作；单线程避免上下文切换；IO 多路复用（epoll）；高效数据结构（跳表、压缩列表）。

Q2：缓存穿透/击穿/雪崩怎么区别和解决？

查看答案

穿透=查不存在的数据→布隆过滤器；击穿=热点key过期→互斥锁/永不过期；雪崩=大量key同时过期→加随机TTL+集群+熔断。

Q3：Redis 分布式锁怎么实现？

查看答案

SET key value NX PX 过期时间，value 设唯一标识（UUID），释放锁用 Lua 脚本先比较再删。生产用 Redisson（自动续期+可重入）。

记

第四章小结

① Redis = 内存百货商店，9 种数据结构全能选手。生产开 AOF everysec + 混合持久化。

② 缓存三兄弟：穿透（布隆过滤器）、击穿（互斥锁）、雪崩（随机 TTL）。

③ 分布式锁用 Redisson，别手写。秒杀用 Lua 脚本原子扣减库存。

← 返回总览中间件全景总览下一节：应用服务器中间件：Tomcat 与 JBoss →