Redis 进阶

Redis 高级特性与性能调优

数据持久化

RDB（Redis DataBase）

采用 RDB 持久方式，Redis 会定期保存数据快照至一个 RBD 文件中，并在启动时自动加载 RDB 文件，恢复之前保存的数据。 可以在配置文件中配置 Redis 进行快照保存的时机： save [seconds] [changes]

意为在 [seconds] 秒内如果发生了 [changes] 次数据修改，则进行一次 RDB 快照保存，例如： save 60 100

会让 Redis 每 60 秒检查一次数据变更情况，如果发生了 100 次或以上的数据变更，则进行 RDB 快照保存。可以配置多条 Save 指令，让 Redis 执行多级的快照保存策略。 Redis 默认开启 RDB 快照，默认的 RDB 策略如下：

save 900 1
save 300 10
save 60 10000

也可以通过BGSAVE命令手工触发 RDB 快照保存。

AOF（Append Only File）

采用 AOF 持久方式时，Redis 会把每一个写请求都记录在一个日志文件里。在 Redis 重启时，会把 AOF 文件中记录的所有写操作顺序执行一遍，确保数据恢复到最新。 AOF 默认是关闭的，如要开启，进行如下配置： appendonly yes

AOF 提供了三种 Fsync 配置，always/everysec/no，通过配置项 [appendfsync]指定：

• appendfsync no：不进行 Fsync，将 Flush 文件的时机交给 OS 决定，速度最快。
• appendfsync always：每写入一条日志就进行一次 Fsync 操作，数据安全性最高，但速度最慢。
• appendfsync everysec：折中的做法，交由后台线程每秒 Fsync 一次。

随着 AOF 不断地记录写操作日志，必定会出现一些无用的日志，例如某个时间点执行了命令 SET key1 “abc”，在之后某个时间点又执行了SET key1 “bcd”，那么第一条命令很显然是没有用的。 大量的无用日志会让 AOF 文件过大，也会让数据恢复的时间过长。所以 Redis 提供了AOF Rewrite功能，可以重写 AOF 文件，只保留能够把数据恢复到最新状态的最小写操作集。 AOF Rewrite 可以通过 BGREWRITEAOF命令触发，也可以配置 Redis 定期自动进行：

auto-aof-rewrite-percentage 100
auto-aof-rewrite-min-size 64mb

上面两行配置的含义是，Redis 在每次 AOF Rewrite 时，会记录完成 Rewrite 后的 AOF 日志大小，当 AOF 日志大小在该基础上增长了 100% 后，自动进行 AOF Rewrite。 同时如果增长的大小没有达到 64MB，则不会进行 Rewrite。

内存管理与数据淘汰机制

最大内存设置

默认情况下，在 32 位 OS 中，Redis 最大使用 3GB 的内存，在 64 位 OS 中则没有限制。 在使用 Redis 时，应该对数据占用的最大空间有一个基本准确的预估，并为 Redis 设定最大使用的内存。 否则在 64 位 OS 中 Redis 会无限制地占用内存(当物理内存被占满后会使用 Swap 空间)，容易引发各种各样的问题。 通过如下配置控制 Redis 使用的最大内存： maxmemory 100mb

在内存占用达到了 maxmemory 后，再向 Redis 写入数据时，Redis 会：

• 根据配置的数据淘汰策略尝试淘汰数据，释放空间。
• 如果没有数据可以淘汰，或者没有配置数据淘汰策略，那么 Redis 会对所有写请求返回错误，但读请求仍然可以正常执行。

在为 Redis 设置 maxmemory 时，⚠️需要注意：如果采用了 Redis 的主从同步，主节点向从节点同步数据时，会占用掉一部分内存空间;如果 maxmemory 过于接近主机的可用内存，导致数据同步时内存不足。 所以设置的 maxmemory 不要过于接近主机可用的内存，留出一部分预留用作主从同步。

数据淘汰机制

Redis 提供了 5 种数据淘汰策略：

• volatile-lru：使用 LRU 算法进行数据淘汰(淘汰上次使用时间最早的，且使用次数最少的 Key，只淘汰设定了有效期的 Key。
• allkeys-lru：使用 LRU 算法进行数据淘汰，所有的 Key 都可以被淘汰。
• volatile-random：随机淘汰数据，只淘汰设定了有效期的 Key。
• allkeys-random：随机淘汰数据，所有的 Key 都可以被淘汰。
• volatile-ttl：淘汰剩余有效期最短的 Key。

最好为 Redis 指定一种有效的数据淘汰策略以配合 maxmemory 设置，避免在内存使用满后发生写入失败的情况。 一般来说，推荐使用的策略是 volatile-lru，并辨识 Redis 中保存的数据的重要性。 对于那些重要的，绝对不能丢弃的数据(如配置类数据等)，应不设置有效期，这样 Redis 就永远不会淘汰这些数据。 对于那些相对不是那么重要的，并且能够热加载的数据(比如缓存最近登录的用户信息，当在 Redis 中找不到时，程序会去 DB 中读取)，可以设置上有效期，这样在内存不够时 Redis 就会淘汰这部分数据。 配置方法： maxmemory-policy volatile-lru# 默认是noeviction，即不进行数据淘汰

Redis 性能调优

尽管 Redis 是一个非常快速的内存数据存储媒介，也并不代表 Redis 不会产生性能问题。 Redis 采用单线程模型（Redis 6.0之前），所有的命令都是由一个线程串行执行的，所以当某个命令执行耗时较长时，会拖慢其后的所有命令，这使得 Redis 对每个任务的执行效率更加敏感。 针对 Redis 的性能优化，主要从下面几个层面入手：

• 最初的也是最重要的，确保没有让 Redis 执行耗时长的命令。
• 使用 Pipelining 将连续执行的命令组合执行。
• 操作系统的 Transparent huge pages 功能必须关闭。

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

• 如果在虚拟机中运行 Redis，可能天然就有虚拟机环境带来的固有延迟。可以通过 ./redis-cli –intrinsic-latency 100 命令查看固有延迟。
• 同时如果对 Redis 的性能有较高要求的话，应尽可能在物理机上直接部署 Redis。
• 检查数据持久化策略。

• 考虑引入读写分离机制。

读写分离

对于缓存而言，读的需求量是远大于写的需求量的，而读写分离的机制就是在主机上执行写操作，然后异步地将数据复制到从机上，而从机只负责读操作，假设一台从机具有2万QPS，当业务场景需要10万的QPS时，只需要横向扩展5台redis从机即可（可支持水平扩展的读高并发架构）.

Redis 的主从复制能力可以实现一主多从的多节点架构，在这一架构下，主节点接收所有写请求，并将数据同步给多个从节点。在这一基础上，我们可以让从节点提供对实时性要求不高的读请求服务，以减小主节点的压力。 尤其是针对一些使用了长耗时命令的统计类任务，完全可以指定在一个或多个从节点上执行，避免这些长耗时命令影响其他请求的响应。

主从复制

Redis 支持一主多从的主从复制架构。一个 Master 实例负责处理所有的写请求，Master 将写操作同步至所有 Slave。 借助 Redis 的主从复制，可以实现读写分离和高可用：

• 实时性要求不是特别高的读请求，可以在 Slave 上完成，提升效率。特别是一些周期性执行的统计任务，这些任务可能需要执行一些长耗时的 Redis 命令，可以专门规划出 1 个或几个 Slave 用于服务这些统计任务。
• 借助 Redis Sentinel 可以实现高可用，当 Master Crash 后，Redis Sentinel 能够自动将一个 Slave 晋升为 Master，继续提供服务。

启用主从复制非常简单，只需要配置多个 Redis 实例，在作为 Slave 的 Redis 实例中配置： slaveof 192.168.1.1 6379# 指定Master的IP和端口

当 Slave 启动后，会从 Master 进行一次冷启动数据同步，由 Master 触发 BGSAVE 生成 RDB 文件推送给 Slave 进行导入。 导入完成后 Master 再将增量数据通过 Redis Protocol 同步给 Slave。之后主从之间的数据便一直以 Redis Protocol 进行同步。 使用 Sentinel 做自动 Failover：Redis 的主从复制功能本身只是做数据同步，并不提供监控和自动 Failover 能力，要通过主从复制功能来实现 Redis 的高可用，还需要引入一个组件：Redis Sentinel。 Redis Sentinel 是 Redis 官方开发的监控组件，可以监控 Redis 实例的状态，通过 Master 节点自动发现 Slave 节点，并在监测到 Master 节点失效时选举出一个新的 Master，并向所有 Redis 实例推送新的主从配置。 Redis Sentinel 需要至少部署 3 个实例才能形成选举关系。关键配置：

sentinel monitor mymaster 127.0.0.1 6379 2 	# Master实例的IP、端口，以及选举需要的赞成票数
sentinel down-after-milliseconds mymaster 60000 	# 多长时间没有响应视为Master失效
sentinel failover-timeout mymaster 180000 	# 两次failover尝试间的间隔时长
sentinel parallel-syncs mymaster 1	 # 如果有多个Slave，可以通过此配置指定同时从新Master进行数据同步的Slave数，避免所有Slave同时进行数据同步导致查询服务也不可用

另外需要注意的是，Redis Sentinel 实现的自动 Failover 不是在同一个 IP 和端口上完成的。 也就是说自动 Failover 产生的新 Master 提供服务的 IP 和端口与之前的 Master 是不一样的。 所以要实现 HA，还要求客户端必须支持 Sentinel，能够与 Sentinel 交互获得新 Master 的信息才行。

集群分片

为何要做集群分片?原因如下：

• Redis 中存储的数据量大，一台主机的物理内存已经无法容纳。
• Redis 的写请求并发量大，一个 Redis 实例以无法承载。

当上述两个问题出现时，就必须要对 Redis 进行分片了。Redis 的分片方案有很多种，例如很多 Redis 的客户端都自行实现了分片功能，也有向 Twemproxy 这样的以代理方式实现的 Redis 分片方案。

Redis Cluster 的能力：

• 能够自动将数据分散在多个节点上。
• 当访问的 Key 不在当前分片上时，能够自动将请求转发至正确的分片。
• 当集群中部分节点失效时仍能提供服务。

其中第三点是基于主从复制来实现的，Redis Cluster 的每个数据分片都采用了主从复制的结构，原理和前文所述的主从复制完全一致。 唯一的区别是省去了 Redis Sentinel 这一额外的组件，由 Redis Cluster 负责进行一个分片内部的节点监控和自动 Failover。 Redis Cluster 分片原理：Redis Cluster 中共有 16384 个 hash slot，Redis 会计算每个 Key 的 CRC16，将结果与 16384 取模，来决定该 Key 存储在哪一个 hash slot 中。 同时需要指定 Redis Cluster 中每个数据分片负责的 Slot 数。Slot 的分配在任何时间点都可以进行重新分配。

主从复制 VS 集群分片

在设计软件架构时，要如何在主从复制和集群分片两种部署方案中取舍呢?从各个方面看，Redis Cluster 都是优于主从复制的方案：

• Redis Cluster 能够解决单节点上数据量过大的问题。
• Redis Cluster 能够解决单节点访问压力过大的问题。
• Redis Cluster 包含了主从复制的能力。

那是不是代表 Redis Cluster 永远是优于主从复制的选择呢?并不是。软件架构永远不是越复杂越好，复杂的架构在带来显著好处的同时，一定也会带来相应的弊端。

参考链接

• redis 中文教程: https://www.redis.com.cn/redis-keys
• redis Documetation: https://redis.io/documentation
• redis 高级特性与性能调优: https://zhuanlan.zhihu.com/p/61053939