追求性能极致 - Redis
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追求性能极致 - Redis：性能优化指南

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 2024-04-06
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原文作者：Brand 原文地址： https://www.cnblogs.com/wzh2010/p/17205492.html

1 介绍

Redis是我们在业务开发中很重要的一个辅助，能够极大提高我们系统的运行效率，为后端的存储服务减少压力，提升用户使用体验。
但是作为一个辅助提升速度的组件，如果自己存在请求延迟的情况，那将是一个巨大的灾难，可能引起整条业务链路的雪崩。
在我以往的博客里面，也有过相应的案例，比如 《架构与思维：一次缓存雪崩的灾难复盘》。
但在实际业务场景中，可能有更加复杂的原因导致Redis访问效率变慢，下面我们详细来分析下。

2 发现和监测Redis的慢执行

2.1 如何判断Redis变慢了

在之前的章节中，我们根据官网的资料有过这样的结论：
在较高的配置基准下（比如 8C 16G +），在连接数为0~10000的时候，最高QPS可达到120000。Redis以超过60000个连接为基准，仍然能够在这些条件下维持50000个q/s，体现了超高的性能。下图中横轴是连接数，纵轴是QPS。

202404062052522831.png

可见，Redis的性能和流量可抗性是极其高的，从客户端request发出到接受到response，这个处理过程时间是极短的，一般是微秒级别。
而对比Redis出现性能瓶颈的时候，就会有比较异常的表现，如达到几秒甚至几十秒，这时候我们就可以认定 Redis 性能变差了，需要去优化。

感知到 Redis的变慢了，接下来我们要做的就是验证和确认，这样才能有针对性的进行优化。
我们通过以下方法进行验证和分析。

2.1 基线延迟测试

redis-cli 提供了一个指令选项 --intrinsic-latency，用于监测和统计某个时间段内Redis的最大延迟。这个选项可以用来评估Redis本身的性能，并且可以作为Redis的基准性能。
使用--intrinsic-latency选项需要指定时长，例如120秒。在指定的时间段内，redis-cli会记录每个秒级的最大延迟。这个最大延迟可以反映出Redis本身的性能，不受网络或其他外部因素的影响。
你可以通过以下命令使用--intrinsic-latency选项：

    redis-cli --intrinsic-latency 120

执行该命令后，redis-cli会输出在120秒内的最大延迟统计信息。
需要注意的是，--intrinsic-latency选项从Redis的2.8.7版本开始支持。如果你使用的是较早的版本，可能无法使用该选项。

    redis-cli --intrinsic-latency 120
    Max latency so far: 5 microseconds.
    Max latency so far: 14 microseconds.
    Max latency so far: 33 microseconds.
    Max latency so far: 52 microseconds.
    Max latency so far: 70 microseconds.
    Max latency so far: 130 microseconds.
    Max latency so far: 272 microseconds.
    Max latency so far: 879 microseconds.
    Max latency so far: 1079 microseconds.
    Max latency so far: 1665 microseconds.
    Max latency so far: 1665 microseconds.

可以看到，当前运行的最大延迟是 1665 微秒，所以基线延迟的性能是 1665 （约 1.6 毫秒）微秒。
可以在终端上连接Redis的服务端进行测试，避免客户端测试因为网络的影响导致差异较大。
可以通过-h host -p port 来连接到服务端。

    redis-cli --latency -h `host` -p `port`

2.2 监控慢指令

在算法设计中，最优的时间复杂度是O(1) 和 O(log N)。
一样的 ，Redis官方也尽量自身的操作指令尽量的高效，尽量节省时间复杂度。但是涉及到集合操作、全量的复杂度一般为O(N)，

  • 集合全量查询：HGETALL、SMEMBERS
  • 集合的聚合操作：SORT、LREM、 SUNION
  • SORTEDSET类型命令：ZDELRANGEBYSCORE

排查是否使用了慢指令，可以用如下几种方式：

  • 使用一些工具进行操作的延时监控，如 latency-monitor
  • 通过查询 Redis 的慢日志来分析执行慢查询的操作（下面会详细说到）

如果只是简单判断是否使用了慢速查询，还可以使用命令 top、htop、prstat 等检查 Redis 主进程的 CPU 消耗即可

2.3 监控慢日志

在 Redis 中，slowlog 是一个用于查询和记录执行时间较长的命令的命令。它可以帮助你找出哪些命令的执行时间超过了设定的阈值，并且将这些命令记录下来，以便后续分析和优化。
默认情况下命令执行时间超过 10ms 就会被记录到日志，这个只记录执行时间，摒弃了 io 往返或者网络延迟引起的响应慢部分。
如果你想修改慢查询的时间阈值，自定义慢查询的耗时标准，可以执行如下命令：

    redis-cli CONFIG SET slowlog-log-slower-than 3330

这边为什么使用 3330 ，是因为我们采用上面基线延迟测试值的double。

slowlog 命令的基本语法如下：

    slowlog get [count]

其中，count 是一个可选参数，表示要返回的 slow log 的数量。如果不指定 count，则默认返回最近的 slow log。
当执行 slowlog get 命令时，Redis 会返回最近的一些 slow log，每个 slow log 包含以下信息：

  • unique ID：该 slow log 的唯一 ID。
  • 时间戳：该 slow log 记录的时间戳。
  • 命令：执行了哪些命令。
  • 执行时间：执行该命令所花费的时间（以微秒为单位）。
    你可以通过 slowlog get 命令来查看最近的 slow log，以便找出需要优化的命令。此外，你还可以通过 slowlog-max-len 参数来设置 slow log 的最大长度，以避免日志过多占用过多内存。
    # 举例：读取最近2个慢查询
    127.0.0.1:6381> SLOWLOG get 2
    1) 1) (integer) 17
       2) (integer) 1693641198
       3) (integer) 5427
       4) 1) "hgetall"
          2) "all.uer_info"
    1) 1) (integer) 18
       2) (integer) 1693641217 
       3) (string) "GET"  
       4) (integer) 3771

第一个 HGET 命令，共 4 个字段：

  • 字段 1：代表 slowlog 出现的序号，服务启动后递增加码，当前为 17。
  • 字段 2：查询时的 Unix 时间戳。
  • 字段 3：查询执行的时间数（微秒）,当前值5472（5.472微秒） 比 3330多，所以被记录下来。
  • 字段 4: 表示查询的命令和参数, 如 hgetall all.user_info。
    这样的做法是输出慢查询，提供开发同学排查的方向。

3 解决Redis慢执行问题

根据我们之前的知识，Redis 的数据读写这个主操作是由单线程执行，如果被影响，导致阻塞，那么性能就会大大降低。
所以，如何避免主线程阻塞，是我们解决Redis慢执行的一个关键因素。以下从一个方向

3.1 网络通信延迟

互联网时代，客户端访问Redis服务端的时候很可能回到网络延迟较高，这样，客户端连接并请求的的效率就会变低。
如果是多个数据中心或者多网络分区的场景（两地三中心、异地多活），这种情况就更明显，毕竟数据在网络中传输都是视距离时延的。
通过 TCP/IP 连接或 Unix 域连接连接到 Redis，1 Gbit/s 的网络延迟大约为 200 us。
从下面这个图看到往返时间RTT（Round trip time），执行过程为：

  • 发送命令

  • 命令进入队列，待执行

  • 执行命令

  • 返回执行结果

    202404062052526152.png
    上面的图明显有效节约了RTT的次数，提高了效率。类似MGET和MSET等命令是Redis中用于批量操作多个key-value的命令，而Redis的很多其他命令，
    如 hgetall，不支持批量操作，需要消耗 N 次 RTT ，这个时候需要 pipeline 来解决这个问题。
    Redis pipeline 将多个命令连接在一起来减少网络响应往返次数。

3.2 慢指令导致的延迟

我们上面与分析过慢指令，在算法设计中，最优的时间复杂度是O(1) 和 O(log N)。所以当我们确认了有慢查询指令。可以通过以下两种方式解决：

  • 在 Cluster 集群中，复杂度高于O(1) 和 O(log N)的操作使用Slava从库执行,大部分复杂执行都是非写的，所以应该要避免阻塞主线程。当然，在Client执行也是可以的。
  • 使用高效命令代替慢执行的命令，同时避免单次查询大量数据，采用增量获取的办法（参考 SCAN、SSCAN、HSCAN、ZSCAN）。
  • 生产环境中禁用KEYS 命令，它在调试的时候会遍历所有的键值对，操作延时较高。

3.3 Fork 生成 RDB 导致的延迟

我们在数据持久化的篇章中，说过数据持久化的一些办法，包括RDB内存快照和AOF日志。使用的不合理，也会照成Redis的性能大打折扣。
生成 RDB 快照（参考这篇 《Redis系列2：数据持久化提高可用性》），Redis 必须 fork 后台进程，
做了fork操作之后，实际是拆分了执行出去，因为在主线程中执行，所以会导致性能降低，操作延迟。
在Redis 中可以使用操作系统的 COW(Copy On Write,多进程写时复制技术) 来快速持久化，减少内存占用。

202404062052528883.png
Redis在执行 bgsave 时，涉及到内存和磁盘的分配和复制，并且从库加载 RDB 期间无法提供读写服务，为了保障高效率，
主库的数据量大小尽量控制在 2~4G 左右，超过4G，会让从库加载效率变慢，从而影响业务操作。

3.4 AOF 文件系统或 RDB 大内存页问题，包括 AOF 持久化阻塞、大内存页等

Linux 2.6.38 版本之后开始支持内存大页，最大可以支持2MB的内存页分配，而之前的常规页是按照4KB来分配的。
这样的话，会导致Redis本身的一些持久化操作的问题，（参考这篇 《Redis系列2：数据持久化提高可用性》）。

  • Redis 使用了 fork 生成 RDB 持久化， COW在数据被修改的时候，会复制一份数据。内存页太大的话，即使客户端修改的量很小，也会复制2MB的大页内存，导致性能变慢。
  • AOF 日志存储了 Redis 服务器的顺序指令序列，AOF 日志只记录对内存进行修改的指令记录。如果内存页那太大，单次重放（replay）的内容过多，也会导致性能变慢

可以使用指令来disable Linux 内存大页：

    echo never > /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/enabled

3.5 操作系统 Swap 操作问题，包括内存磁盘数据转换、内存清理等

Swap是操作系统中的一种虚拟内存技术，用于在物理内存不足时将一部分数据从物理内存中移动到硬盘上，以释放物理内存空间，避免系统因为内存不够而导致的 oom 情况。Swap操作包括“换出”（swap out）和“换入”（swap in）两个过程。

  • Swap out是指将一部分数据从物理内存中移动到交换空间（swap space）中，以释放物理内存空间。当操作系统需要更多的内存空间时，它会根据一定的算法来决定哪些数据应该被移动到交换空间中。这些数据通常是最近最少使用的或者最不可能被再次使用的。
  • Swap in是指将一部分数据从交换空间中移动到物理内存中。当操作系统需要访问被移动到交换空间中的数据时，它会根据一定的算法来决定哪些数据应该被移动到物理内存中。这些数据通常是最近被访问的或者最可能被再次访问的。

Swap操作可以帮助操作系统在物理内存不足时继续运行程序，但是过度的swap操作可能会导致系统性能下降，因为硬盘访问速度比物理内存慢得多。因此，合理配置和管理swap空间对于系统性能优化非常重要。
通常建议将swap空间设置为物理内存的1.5到2倍，并且应该避免在swap空间中频繁进行大量的读写操作。

既然swap的操作引发是由于内存空间不够导致的操作，那看看我们的Redis里面有哪些操作会引起这类行为：

  • 使用超额的内存，比可用内存更多
  • 再比如上面说的那几点：RDB Fork操作以及大文件生成，AOF日志记录和指令同步。都可能导致大量的内存占用，触发了 swap。

3.5.1 对swap导致的性能问题进行排查

    #  获取Redis 实例的进程ID（pid）：
    $ redis-cli info | grep process_id
    process_id:12893
    
    #  根据进程进入 /proc 文件系统目录：
    cd /proc/12893
    
    # 打开 smaps 的文件，查找所有文件中所有的 swap 操作：
    # 这边可以看到，当使用内存达到810554 kb 时，swap内存达到37kb。
    $ cat smaps | egrep '^(Swap|Size)'
    Size:                241 kB
    Swap:                  0 kB
    Size:                172 kB
    Swap:                  0 kB
    Size:           810554 kB
    Swap:                37 kB

如果 Swap 是 0 kb，或者小量的kb，应该都是正常的。但当出现百 M，甚至 GB 级别的 swap 大小时，内存就明显吃紧了，大概率会导致线上请求变慢。
可以用如下办法进行解决：

  • 资源补充：内存进行扩容。
  • 单一职责原则：Redis在独占的主机上运行，避免其他高内存占用服务的资源抢占。
  • 分治理念：增加 Cluster 集群的数量进行分担，减少单个实例所需的内存消耗。

3.6 AOF 的写回策略为 always，导致每个操作都要同步刷回磁盘

为了保证数据可靠性，Redis 使用 AOF 和 RDB 快照实现快速恢复和持久化。
（参考这篇 《Redis系列2：数据持久化提高可用性》）

AOF（Append-Only File）作为Redis用于缓存持久化的一种方式，当你选择 "always" 作为 AOF 的写回策略时，这意味着每一个写操作都会被立即同步到磁盘中。
虽然这种策略可以最大限度地保证数据的安全性，但是它对性能的影响也是最大的，因为每次写操作都需要等待磁盘 I/O 完成。如果你的应用可以接受一点点数据丢失的风险，或者你的应用主要是读操作，你可能会想要调整 AOF 的写回策略以提高性能。

以下是几种可能的解决方案：

  1. 调整 AOF 写回策略 ：Redis 提供了几种 AOF 写回策略，包括 "always"（每个操作都立即写回）、"everysec"（每秒写回一次）、"no"（由操作系统决定何时写回）。如果你的应用可以接受一些数据丢失的风险，你可以尝试将 AOF 写回策略调整为 "everysec" 或 "no"。
  2. 使用 RDB 持久化 ：与 AOF 不同，RDB（Redis DataBase）持久化是通过生成数据快照来实现的。你可以配置 Redis 在指定的时间间隔内生成 RDB 快照，这种方式对性能的影响相对较小。
  3. 优化硬件 ：如果你的硬件（例如磁盘）性能较低，那么 I/O 操作可能会成为瓶颈。在这种情况下，你可能需要升级你的硬件。
  4. 使用缓存 ：如果你的应用主要是读操作，你可以考虑使用缓存来减轻数据库的负载。例如，你可以使用 Redis 的内存存储功能，或者使用其他的缓存系统。

注意，调整持久化策略或使用缓存都可能会增加数据丢失的风险，因此你需要根据你的应用需求和风险承受能力来选择合适的策略。

3.7 expires 淘汰过期数据

参考这篇文章《Redis系列18：过期数据的删除策略》，我们有详细的描述
Redis 有两种方式淘汰过期数据：

  • 惰性删除：当接收请求的时候发现 key 已经过期，才执行删除；
  • 定时删除：每 100 毫秒删除一些过期的 key。

定时任务的发起的频率由redis.conf配置文件中的hz来进行配置

    # 代表每1s 运行 10次
    hz 10

Redis 默认每 1 秒运行 10 次，也就是每 100 ms 执行一次，每次随机抽取一些设置了过期时间的 key（这边注意不是检查所有设置过期时间的key，而是随机抽取部分），检查是否过期，如果发现过期了就直接删除。
该定时任务的具体流程如下：

  • 定时serverCron方法去执行清理，执行频率根据redis.conf中的hz配置的值
  • 执行清理的时候，不是去扫描所有的key，而是去扫描所有设置了过期时间的key（redisDb.expires）
  • 如果每次去把所有过期的key都拿过来，那么假如过期的key很多，就会很慢，所以也不是一次性拿取所有的key
  • 根据hash桶的维度去扫描key，扫到20(可配)个key为止。假如第一个桶是15个key ，没有满足20，继续扫描第二个桶，第二个桶20个key，由于是以hash桶的维度扫描的，所以第二个扫到了就会全扫，总共扫描35个key
  • 找到扫描的key里面过期的key，并进行删除
  • 删除完检查过期的 key 超过 25%，继续执行4、5步

大家看最后一步，如果一致有超过25%的过期key，就会导致 Redis 一直去删除来释放内存，而删除是阻塞的。
所以，需要避免大量 key 过期早同一时期过期，这样可能需要重复删除多次才能降低到 25% 以下。

解决方案：
可以给缓存设置过期时间时加上一个随机值时间（在 EXPIREAT 和 EXPIRE 的过期时间参数上，加上一个一定大小范围内的随机数），使得每个key的过期时间分布开来，不会集中在同一时刻失效。
随机值我们团队的做法是：n * 3/4 + n * random() 。所以，比如你原本计划对一个缓存建立的过期时间为8小时，那就是6小时 + 0~2小时的随机值。
这样保证了均匀分布在 6~8小时之间。如图：

202404062052534054.png

3.8 优化 bigkey

bigkey 是指含有较大数据或含有大量成员、列表数的 Key。以下是一些实际的例子：

  • 一个 STRING Key 的Value过大，比如超过 5MB
  • 一个 LIST 类型的 Key，它的List Size太大，比如10000 个
  • 一个 ZSET 类型的 Key，它的Member Size太大，比如 10000 个
  • 一个 HASH 格式的 Key，它的Member Size太大，比如 10000个，或者Value值总量过大，比如 100MB

bigkey 带来问题如下：

  1. OOM，或者达到 maxmemory 阈值导致请求阻塞或者key被驱逐。
  2. Redis Cluster 的数据负载最小粒度为 Key，这样如果某个node上有一个bigkey，就可能导致内存不均衡。
  3. bigkey 的读写都有有较大的带宽占用、内存占用，混合使用云主机情况下，会影响其他服务的资源存量。
  4. 删除一个 bigkey 造成主库较长时间的阻塞甚至引发同步中断或主从切换。

优化 Redis 的 bigkey 可以从以下几个方面入手：

  1. 拆分 bigkey：将一个含有大量成员、列表数或数据大小的 Key 拆分成多个小 Key，每个 Key 的成员数量或数据大小在合理范围内。这样可以避免单个 Key 占用过多内存，并且可以提高 Redis 的读写性能。
  2. 异步清理 bigkey：Redis 4.0 版本提供了 UNLINK 命令，可以用来安全地删除 bigkey，避免对 Redis 实例造成过大的负载。可以通过将 UNLINK 命令放在异步任务中执行，以避免对主线程造成阻塞。
  3. 使用更合适的数据结构：根据实际需求选择更合适的数据结构，比如使用哈希表（hash）代替字符串（string），使用有序集合（sorted set）代替列表（list）等。这样可以减少数据的内存占用，提高读写性能。
  4. 控制 key 的数量：尽量避免使用过多的 Key，尤其是在使用 Redis Cluster 时，过多的 Key 会导致数据分布不均，影响集群的性能和稳定性。
  5. 使用压缩功能：Redis 提供了压缩功能，可以将 bigkey 的数据进行压缩后再存储，减少内存占用和网络传输开销。但是需要注意的是，压缩和解压操作会增加 CPU 的负载，需要根据实际情况权衡利弊。
  6. 差异化过期时间：如果一批 key 的确是同时过期，可以在 EXPIREAT 和 EXPIRE 的过期时间参数上，加上一个一定大小范围内的随机数

3.9 其他原因

  • 复杂度过高的命令或查询全量数据。
  • 内存达到 maxmemory。
  • 客户端使用短连接和 Redis 相连。
  • Redis 实例的数据量大，导致生成 RDB 或 AOF 重写耗时严重。
  • Redis 实例运行机器的内存不足，导致 swap 发生，Redis 需要到 swap 分区读取数据。
  • 进程绑定 CPU 不合理。
  • Redis 实例运行机器上开启了透明内存大页机制。
  • 网卡压力过大。
  • Redis 实例之间以及内部数据传输阻塞，包括客户端、磁盘、主从通信、切片集群通信等问题。
  • 多 CPU 多核架构问题，包括绑核、绑 CPU 等。
  • sql 语句执行阻塞，包括慢查询、过期 key 等问题。

4 总结

优化步骤如下：

  • 获取 Redis 的基线延迟情况

  • 开启慢指令监控，定位慢指令导致的问题，分析并优化。

  • 开启慢请求日志，分析执行时间超时情况，以便分析和优化。

  • 解决常见的Redis慢执行问题

    • 网络通信延迟
    • 慢指令导致的延迟
    • Fork 生成 RDB 导致的延迟
    • AOF 文件系统或 RDB 大内存页问题，包括 AOF 持久化阻塞、大内存页等
    • 操作系统 Swap 操作问题，包括内存磁盘数据转换、内存清理等
    • 对swap导致的性能问题进行排查
    • AOF 的写回策略为 always，导致每个操作都要同步刷回磁盘
    • expires 淘汰过期数据
    • 优化 bigkey
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文章标签： Redis 核心原理