1、分布式锁实现
实现一
首先考虑使用 setnx 实现键不在加入,键在不加的单对象持有锁功能;
接着考虑程序失败可能导致的锁一直不释放问题,搭配 expire 来实现过期自动删除;
又因为这两个命令执行中间可能出错,不是原子性的,可以使用 set 加上 nx、ex/px 参数来实现原子操作;
实现二
如果程序执行太久,而锁过期时间太短,会导致键被删除了,但实际上程序还需要用到该锁,这时可以在持有锁时加入一个随机数,在删除时先判断是否是对应的随机数再进行删除,又因为多条命令的原子性问题,可以引入 Lua 脚本实现多条命令的原子操作;这样只是相对地安全,如果想再提高保障性,则需要引入可重入锁,在锁键过期时该对象再次持有锁,但这种方式实现起来及其复杂。
实现三
RedLock(Redis Distributed Lock) 也即是 redis 实现的分布式锁,适用于多节点环境下的分布式锁实现,可以有效防止单点故障导致的锁问题。
这里先明确锁过期时间设为 TTL ,客户端获取锁超时时间为 timeout,时钟漂移为 cd。
首先在客户端发出加锁命令之前会先获取时间戳【用于计算超时时间】,之后依次向多个节点发送获取锁的请求,超时会放弃获取该节点锁,进而获取下一节点,待全部节点都跑完一遍之后,统计获取到的锁数量,这里注意锁应该是在有效期内的(即TTL-timeout-cd>0),如果获取到的锁数量大于总数的一半则视为获取成功;如果客户端获取锁失败(获取锁数量少于一半),则需要释放之前获取到的部分节点的锁。当客户端无法获取锁时,应当在随机时间之后再次尝试获取,获取后完成任务应该及时释放,释放时需要向全部节点发送删除命令。
使用 RedLock 可以保证分布式多节点环境下获取锁释放锁的高可靠性,但相对的性能上会较其他加锁方式低一些。
2、延迟队列
首先明确 Redis 的队列并非高可靠的,可能存在消息丢失等问题;
队列是一个 FIFO 的结构,Redis 中可以使用 List 列表( lpush 与 lpop 或者 rpush 与 rpop ) 来实现先进先出;但是即使列表中元素为0, pop 操作依旧会执行,这会导致队列为空时无端的消耗,我们可以考虑在消费端加上休眠方法,如果取出值为空则休眠;
需要注意的是休眠的时间值不好界定,设置大了吞吐量就大受影响,更优的方法是我们可以使用 blpop 或者 brpop 来取出列表中的元素,b 代表的是阻塞功能,如果队列为空则进入阻塞状态,等待队列有元素时获取。
虽然阻塞取出元素可以解决循环取出问题,但需要注意的是,每个客户端都会有超时时间,一旦阻塞时间过长会断开连接,此时需要在客户端对异常进行处理。
讲回延迟队列,既然队列实现了,那么我们的延迟功能实际上可以利用 Redis 的 Zset 来操作,其中 value 为消息的序列化信息,score 为到期执行时间,接着我们可以使用多个线程对 Zset 进行轮询获取到期的消息存入 list 中,这样可以粗糙地实现一个延时队列。
3、布隆过滤器
概念
一个 key 传给布隆过滤器,如果它说存在那很大概率是存在的,如果它说不存在,那么绝对不存在,因此布隆过滤器可以用于在数据库之前对于 key 值的判断,如果不存在就无需进入 DB。
应用
可以使用布隆过滤器解决缓存穿透的问题,数据预先存入布隆过滤器中,当有新的请求时,先到布隆过滤器中查询是否存在,如果不存在直接返回;如果存在再查询缓存查询数据库。此外还可以使用它来做黑名单校验、垃圾邮件识别等,但需要注意会有一定的误判率。
原理实现
布隆数据库底层还是使用 bitmap 来存储元素标记,一个 key 被加入 bl 时会先使用几个无偏 hash 函数计算出哈希值对数组长度取模,得出它的几个不同位置,接着在位数组上对他们置 1 。如果查询某元素是否存在,则先 hash 后判断位置是否都为1。因此如果 bl 判断 key 不存在则一定是不存在,如果判断存在也可能是其他元素影响到,这就会造成误判的情况。具体地,如果位数组长度足够大,或者元素不是很多,则这种误判断的几率会大大降低,可以通过设置参数来解决。
Redis 中并不存在这种具体的对象供我们使用,Java 中可以使用 Redission 来进行 Redis 连接,并在其中使用布隆过滤器功能。
4、漏斗限流
漏洞的容量是有限的,如果将漏嘴堵住,然后一直往里面灌水,它就会变满,直至再也装不进去。如果将漏嘴放开,水就会往下流,流走一部分之后,就又可以继续往里面灌水。如果漏嘴流水的速率大于灌水的速率,那么漏斗永远都装不满。如果漏嘴流水速率小于灌水的速率,那么一旦漏斗满了,灌水就需要暂停并等待漏斗腾空。 所以,漏斗的剩余空间就代表着当前行为可以持续进行的数量,漏嘴的流水速率代表着系统允许该行为的最大频率。
模块 redis-cell 可以用来实现漏斗算法限流,使用的指令为 cl.throttle
> cl.throttle laoqian:reply 15 30 60
(integer) 0 # 0 表示允许,1表示拒绝
(integer) 15 # 漏⽃容量capacity
(integer) 14 # 漏⽃剩余空间left_quota
(integer) -1 # 如果拒绝了,需要多⻓时间后再试(漏⽃ 有空间了,单位秒)
(integer) 2 # 多⻓时间后,漏⽃完全空出来 (left_quota==capacity,单位秒)
如果请求被拒绝,那么 redis-cell 将会取返回的第四个值作为等待时间去进行重试。
5、GeoHash
对于经纬度坐标的存储以及在他们之间计算距离,使用关系型数据库将会变得很复杂,在 Redis 中可以使用其中内置的 GeoHash 算法实现,其实际上就是一个 ZSet ,value 为元素的 key ,score 为 52 位的整数(GeoHash 会将二维的数据映射成一维的数据再做一次 base32 编码)。
代码语言:javascript复制>> geoadd company 116.48105 39.996794 juejin
代表创建一个名为company的GeoHash结构,接着往里面添加一个元素,value为juejin,score为前面的经纬度坐标的映射值
代码语言:javascript复制>> geodist company juejin ireader km
可以计算出juejin 和 ireader 之间的距离km
代码语言:javascript复制>> geopos company juejin
可以获取juejin对应的经纬度(有小误差)
代码语言:javascript复制>> georadiusbymember company ireader 1 km withcoord withdist count 3 asc
可以查询ireader 1km范围内的3个公司 withcoord withdist代表详细经纬度
因此使用该结构可以很简单地查询地图坐标之间的距离【实现附近的人、附近的餐馆等功能】。
6、Scan
对于批量的 key 要查找指定的匹配值,可以使用 keys 正则串 ,但这种方式是一次性执行获取的,如果有大批量的 key,那么扫描起来要很久,会阻塞正常的业务访问,同时返回的结果一股脑的展示出来,不利于查看。
scan 命令可以很好规避掉这些缺点,它通过游标分步进行查找,不会阻塞进程,提供了 limit 参数,可以限定一次最大输出量。但需要注意的是,它返回的结果可能会有重复,因此需要在客户端进行去重操作。
代码语言:javascript复制scan 0 match key99* count 1000
代表对匹配为 “key99*” 的键值进行第一次查找,最多输出1000条记录。
该命令会返回两个结果,一个为游标值cursor,一个为结果集。
后续我们需要将0替换为游标值,继续查找,直到游标值为0时说明查找完毕。
参考资料:
•Redis 深度历险:核心原理与应用实践 - 老錢 - 掘金小册 (juejin.cn)[1]•布隆过滤器用Redisson实现的例子_fajing_feiyue的博客-CSDN博客_redission 布隆[2]•详细解析Redis中的布隆过滤器及其应用 - 万猫学社 - 博客园 (cnblogs.com)[3]•Redlock(redis分布式锁)原理分析 - RGC - 博客园 (cnblogs.com)[4]•漏斗限流法_INGNIGHT的专栏-CSDN博客_漏斗限流[5]
相关链接
[1]
Redis 深度历险:核心原理与应用实践 - 老錢 - 掘金小册 (juejin.cn): https://juejin.cn/book/6844733724618129422
[2]
布隆过滤器用Redisson实现的例子_fajing_feiyue的博客-CSDN博客_redission 布隆: https://blog.csdn.net/fajing_feiyue/article/details/107433973
[3]
详细解析Redis中的布隆过滤器及其应用 - 万猫学社 - 博客园 (cnblogs.com): https://www.cnblogs.com/heihaozi/p/12174478.html
[4]
Redlock(redis分布式锁)原理分析 - RGC - 博客园 (cnblogs.com): https://www.cnblogs.com/rgcLOVEyaya/p/RGC_LOVE_YAYA_1003days.html
[5]
漏斗限流法_INGNIGHT的专栏-CSDN博客_漏斗限流: https://blog.csdn.net/INGNIGHT/article/details/106898935