【摘要】本文從Redis數(shù)據(jù)庫最關(guān)鍵的特性——內(nèi)存出發(fā)，詳細(xì)介紹了Redis的內(nèi)存使用和內(nèi)存管理，而這也是成為一名專業(yè)Redis運(yùn)維人員的核心技能。
【作者】姜文浩，從事銀行業(yè)務(wù)系統(tǒng)開發(fā)運(yùn)維多年，前期偏向于傳統(tǒng)的業(yè)務(wù)中間件、消息中間件以及SOA、ESB架構(gòu)，近期逐漸轉(zhuǎn)向于分布式架構(gòu)以及開源中間件、NoSQL 數(shù)據(jù)庫等，在系統(tǒng)優(yōu)化、系統(tǒng)架構(gòu)方面有著一定經(jīng)驗。
Redis是當(dāng)今很火爆的內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，我們的所有數(shù)據(jù)都存在了內(nèi)存之中，因此我們的每次寫入、讀取都是從內(nèi)存中進(jìn)行操作，所以在帶來速度的同時，也從內(nèi)存的使用上給我們帶來了挑戰(zhàn)。眾所周知，在硬件資源中內(nèi)存價格是高于硬盤價格的，通過學(xué)習(xí)Redis的內(nèi)存知識可以使我們在保護(hù)Redis數(shù)據(jù)庫的同時更高效的發(fā)揮出Redis的作用，進(jìn)而管理內(nèi)存，減少內(nèi)存消耗和硬件成本。
Redis作為內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，對于自身所使用的內(nèi)存情況是有命令可以統(tǒng)計的，通過獲取到的相關(guān)信息可以了解Redis自身內(nèi)存的使用現(xiàn)狀，進(jìn)而有助于判斷內(nèi)存使用健康度。Redis提供查看內(nèi)存的指令為info memory。
在以上各項指標(biāo)中需要重點關(guān)注的指標(biāo)有：used_memory_rss和used_memory以及它們的比值mem_fragmentation_ratio。
當(dāng)mem_fragmentation_ratio>1 時，說明used_memory_rss-used_memory多出的部分內(nèi)存并沒有用于數(shù)據(jù)存儲，而是被內(nèi)存碎片所消耗，這個值越大，表明內(nèi)存碎片越多。
當(dāng)mem_fragmentation_ratio<1 時，這種情況說明正在使用虛擬內(nèi)存，也就是在使用主機(jī)的硬盤，由于硬盤性能是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于內(nèi)存的，所以要小心因為性能問題導(dǎo)致整體Redis故障。根據(jù)日常使用的情況mem_fragmentation_ratio的數(shù)值在1 ~ 1.5之間是比較健康的。在出現(xiàn)內(nèi)存碎片過多的問題怎么處理呢？最簡單暴力的辦法就是重啟，在Redis4.0版本之后支持在運(yùn)行期進(jìn)行自動內(nèi)存碎片清理，主要通過設(shè)置config set activedefrag yes來進(jìn)行實現(xiàn)，同時也提供了memory purge命令來手動進(jìn)行內(nèi)存碎片清理。
Redis默認(rèn)是無限使用內(nèi)存的，所以防止系統(tǒng)內(nèi)存被耗盡，需要對Redis的內(nèi)存上限進(jìn)行設(shè)置，Redis使用maxmemory參數(shù)限制最大可用內(nèi)存。通過前面的介紹我們可以得知maxmemory配置的是Redis實際使用的內(nèi)存量，也就是used_memory統(tǒng)計項對應(yīng)的內(nèi)存。由于內(nèi)存碎片率的存在，實際消耗的內(nèi)存可能會比maxmemory設(shè)置的更大，實際使用時要小心這部分內(nèi)存溢出。根據(jù)慣例一般會預(yù)留出20%的服務(wù)器空閑內(nèi)存防止內(nèi)存溢出通過。
Redis的內(nèi)存上限可以通過config set maxmemory進(jìn)行動態(tài)修改，即修改最大可用內(nèi)存。通過動態(tài)修改maxmemory，可以實現(xiàn)在當(dāng)前服務(wù)器下動態(tài)伸縮Redis內(nèi)存的目的，考慮到現(xiàn)在在部署Redis時大多采用集群或哨兵模式，單臺主機(jī)上并非Redis單實例，因此建議針對所有的Redis進(jìn)程都要配置maxmemory。
Redis針對內(nèi)存使用情況提供內(nèi)存回收策略供運(yùn)維人員進(jìn)行配置，主要用于刪除到達(dá)過期時間的鍵對象以及當(dāng)Redis內(nèi)存使用達(dá)到所設(shè)置的maxmemory上限時則執(zhí)行內(nèi)存回收策略。
Redis所有的鍵都可以設(shè)置過期屬性，在數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)中的expires字典中保存了數(shù)據(jù)庫中所有鍵的過期時間，我們稱expire這個字典為過期字典。由于進(jìn)程內(nèi)保存大量的鍵，維護(hù)每個鍵精準(zhǔn)的過期刪除機(jī)制會導(dǎo)致消耗大量的CPU，對于單線程的Redis來說成本過高，因此Redis采用惰性刪除和定時任務(wù)刪除機(jī)制實現(xiàn)過期鍵的內(nèi)存回收。
惰性刪除：惰性刪除用于當(dāng)客戶端讀取帶有超時屬性的鍵時，如果已經(jīng)超過鍵設(shè)置的過期時間，會執(zhí)行刪除操作并返回空，這種刪除策略對CPU是友好的，刪除操作只有在不得不的情況下才會進(jìn)行，不會對其他的expire key上浪費無謂的CPU時間。但是這種策略對內(nèi)存不友好，一個key已經(jīng)過期，但是在它被操作之前不會被刪除，仍然占據(jù)內(nèi)存空間。如果有大量的過期鍵存在但是又很少被訪問到，那會造成大量的內(nèi)存空間浪費。因為可能存在一些key永遠(yuǎn)不會被再次訪問到，這些設(shè)置了過期時間的key也是需要在過期后被刪除的，我們甚至可以將這種情況看作是一種內(nèi)存泄露—-無用的垃圾數(shù)據(jù)占用了大量的內(nèi)存，而服務(wù)器卻不會自己去釋放它們，這對于運(yùn)行狀態(tài)非常依賴于內(nèi)存的Redis服務(wù)器來說，肯定不是一個好消息。正因為如此，Redis還提供另一種定時任務(wù)刪除機(jī)制作為惰性刪除的補(bǔ)充。
定時任務(wù)刪除：Redis內(nèi)部維護(hù)一個定時任務(wù)，默認(rèn)每秒運(yùn)行10次（通過配置server.hz控制）。Redis會周期性的隨機(jī)測試一批設(shè)置了過期時間的key并進(jìn)行處理。測試到的已過期的key將被刪除。
當(dāng)Redis所用內(nèi)存達(dá)到maxmemory上限時會觸發(fā)相應(yīng)的溢出控制策略。具體策略受maxmemory-policy參數(shù)控制，Redis支持6種策略，如下所示：
1）noeviction：默認(rèn)策略，數(shù)據(jù)永不過期，不會刪除任何數(shù)據(jù)，當(dāng)內(nèi)存不足以容納新寫入數(shù)據(jù)時，新寫入操作會報錯，一般不推薦使用。
2）volatile-lru：根據(jù)LRU算法刪除設(shè)置了超時屬性（expire）的鍵，直到騰出足夠空間為止。如果沒有可刪除的鍵對象，回退到noeviction策略。這種情況一般是把 Redis 既當(dāng)緩存，又做持久化存儲的時候才用。
3）allkeys-lru：根據(jù)LRU算法刪除鍵，不管數(shù)據(jù)有沒有設(shè)置超時屬性，直到騰出足夠空間為止。一般推薦使用該策略
4）allkeys-random：內(nèi)存不足以容納新寫入數(shù)據(jù)時，在鍵空間中，隨機(jī)移除某個 Key。
5）volatile-random：當(dāng)內(nèi)存不足以容納新寫入數(shù)據(jù)時，在設(shè)置了過期時間的鍵空間中，隨機(jī)移除某個 Key。
6）volatile-ttl：當(dāng)內(nèi)存不足以容納新寫入數(shù)據(jù)時，在設(shè)置了過期時間的鍵空間中，有更早過期時間的 Key 優(yōu)先移除。如果沒有，回退到noeviction策略。
內(nèi)存溢出控制策略可以采用config set maxmemory-policy動態(tài)配置。我們上文已經(jīng)介紹了Redis所支持的的內(nèi)存溢出應(yīng)對策略，運(yùn)維人員可以根據(jù)實際需求靈活定制。
綜上所述，我們從Redis數(shù)據(jù)庫最關(guān)鍵特性—內(nèi)存出發(fā)，詳細(xì)介紹了Redis的內(nèi)存使用和內(nèi)存管理，而這也是成為一名專業(yè)Redis運(yùn)維人員的核心技能。大家通過本文能夠提升對Redis內(nèi)存的認(rèn)識，但要真正掌握則需要長時間的學(xué)習(xí)和使用，希望大家共同努力學(xué)習(xí)和進(jìn)步。
