Redis优化 - 邱乘屹的个人技术博客

Pipelining

Redis提供许多批量操作的命令，如MSET/MGET/HMSET/HMGET等等，这些命令存在的意义是减少维护网络连接和传输数据所消耗的资源和时间。
例如连续使用5次SET命令设置5个不同的key，比起使用一次MSET命令设置5个不同的key，效果是一样的，但前者会消耗更多的RTT(Round Trip Time)时长，永远应优先使用后者。

然而，如果客户端要连续执行的多次操作无法通过Redis命令组合在一起，例如：

SET a “abc”
INCR b
HSET c name “hi”
此时便可以使用Redis提供的pipelining功能来实现在一次交互中执行多条命令。
使用pipelining时，只需要从客户端一次向Redis发送多条命令（以\r\n）分隔，Redis就会依次执行这些命令，并且把每个命令的返回按顺序组装在一起一次返回，比如：

$ (printf “PING\r\nPING\r\nPING\r\n”; sleep 1) | nc localhost 6379
+PONG
+PONG
+PONG
大部分的Redis客户端都对Pipelining提供支持，所以开发者通常并不需要自己手工拼装命令列表。

Pipelining的局限性

Pipelining只能用于执行连续且无相关性的命令，当某个命令的生成需要依赖于前一个命令的返回时，就无法使用Pipelining了。

通过Scripting功能，可以规避这一局限性

事务与Scripting

Pipelining能够让Redis在一次交互中处理多条命令，然而在一些场景下，我们可能需要在此基础上确保这一组命令是连续执行的。

比如获取当前累计的PV数并将其清0

> GET vCount
 12384
> SET vCount 0
 OK

如果在GET和SET命令之间插进来一个INCR vCount，就会使客户端拿到的vCount不准确。

Redis的事务可以确保复数命令执行时的原子性。也就是说Redis能够保证：一个事务中的一组命令是绝对连续执行的，在这些命令执行完成之前，绝对不会有来自于其他连接的其他命令插进去执行。

通过MULTI和EXEC命令来把这两个命令加入一个事务中：

> MULTI
 OK
> GET vCount
 QUEUED
> SET vCount 0
 QUEUED
> EXEC
 1)12384
 2)OK

Redis在接收到MULTI命令后便会开启一个事务，这之后的所有读写命令都会保存在队列中但并不执行，直到接收到EXEC命令后，Redis会把队列中的所有命令连续顺序执行，并以数组形式返回每个命令的返回结果。

可以使用DISCARD命令放弃当前的事务，将保存的命令队列清空。

需要注意的是，Redis事务不支持回滚：
如果一个事务中的命令出现了语法错误，大部分客户端驱动会返回错误，2.6.5版本以上的Redis也会在执行EXEC时检查队列中的命令是否存在语法错误，如果存在，则会自动放弃事务并返回错误。
但如果一个事务中的命令有非语法类的错误（比如对String执行HSET操作），无论客户端驱动还是Redis都无法在真正执行这条命令之前发现，所以事务中的所有命令仍然会被依次执行。在这种情况下，会出现一个事务中部分命令成功部分命令失败的情况，然而与RDBMS不同，Redis不提供事务回滚的功能，所以只能通过其他方法进行数据的回滚。

通过事务实现CAS

Redis提供了WATCH命令与事务搭配使用，实现CAS乐观锁的机制。

假设要实现将某个商品的状态改为已售：

if(exec(HGET stock:1001 state) == "in stock")
    exec(HSET stock:1001 state "sold");

这一伪代码执行时，无法确保并发安全性，有可能多个客户端都获取到了"in stock"的状态，导致一个库存被售卖多次。

使用WATCH命令和事务可以解决这一问题：

exec(WATCH stock:1001);
if(exec(HGET stock:1001 state) == "in stock") {
    exec(MULTI);
    exec(HSET stock:1001 state "sold");
    exec(EXEC);
}

WATCH的机制是：在事务EXEC命令执行时，Redis会检查被WATCH的key，只有被WATCH的key从WATCH起始时至今没有发生过变更，EXEC才会被执行。如果WATCH的key在WATCH命令到EXEC命令之间发生过变化，则EXEC命令会返回失败。

Scripting

通过EVAL与EVALSHA命令，可以让Redis执行LUA脚本。这就类似于RDBMS的存储过程一样，可以把客户端与Redis之间密集的读/写交互放在服务端进行，避免过多的数据交互，提升性能。

Scripting功能是作为事务功能的替代者诞生的，事务提供的所有能力Scripting都可以做到。Redis官方推荐使用LUA Script来代替事务，前者的效率和便利性都超过了事务。

关于Scripting的具体使用，本文不做详细介绍，请参考官方文档 https://redis.io/commands/eval

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。
前文中提到过，Redis采用单线程模型，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
长耗时命令
Redis绝大多数读写命令的时间复杂度都在O(1)到O(N)之间，在文本和官方文档中均对每个命令的时间复杂度有说明。

通常来说，O(1)的命令是安全的，O(N)命令在使用时需要注意，如果N的数量级不可预知，则应避免使用。例如对一个field数未知的Hash数据执行HGETALL/HKEYS/HVALS命令，通常来说这些命令执行的很快，但如果这个Hash中的field数量极多，耗时就会成倍增长。
又如使用SUNION对两个Set执行Union操作，或使用SORT对List/Set执行排序操作等时，都应该严加注意。

避免在使用这些O(N)命令时发生问题主要有几个办法：

不要把List当做列表使用，仅当做队列来使用
通过机制严格控制Hash、Set、Sorted Set的大小
可能的话，将排序、并集、交集等操作放在客户端执行
绝对禁止使用KEYS命令
避免一次性遍历集合类型的所有成员，而应使用SCAN类的命令进行分批的，游标式的遍历
Redis提供了SCAN命令，可以对Redis中存储的所有key进行游标式的遍历，避免使用KEYS命令带来的性能问题。同时还有SSCAN/HSCAN/ZSCAN等命令，分别用于对Set/Hash/Sorted Set中的元素进行游标式遍历。SCAN类命令的使用请参考官方文档：https://redis.io/commands/scan

Redis提供了Slow Log功能，可以自动记录耗时较长的命令。相关的配置参数有两个：

slowlog-log-slower-than xxxms  #执行时间慢于xxx毫秒的命令计入Slow Log
slowlog-max-len xxx  #Slow Log的长度，即最大纪录多少条Slow Log

使用SLOWLOG GET [number]命令，可以输出最近进入Slow Log的number条命令。
使用SLOWLOG RESET命令，可以重置Slow Log

网络引发的延迟

1. 尽可能使用长连接或连接池，避免频繁创建销毁连接
2. 客户端进行的批量数据操作，应使用Pipeline特性在一次交互中完成。具体请参照本文的Pipelining章节

数据持久化引发的延迟

Redis的数据持久化工作本身就会带来延迟，需要根据数据的安全级别和性能要求制定合理的持久化策略：

1. AOF + fsync always的设置虽然能够绝对确保数据安全，但每个操作都会触发一次fsync，会对Redis的性能有比较明显的影响
2. AOF + fsync every second是比较好的折中方案，每秒fsync一次
3. AOF + fsync never会提供AOF持久化方案下的最优性能
4. 使用RDB持久化通常会提供比使用AOF更高的性能，但需要注意RDB的策略配置
5. 每一次RDB快照和AOF
   Rewrite都需要Redis主进程进行fork操作。fork操作本身可能会产生较高的耗时，与CPU和Redis占用的内存大小有关。根据具体的情况合理配置RDB快照和AOF
   Rewrite时机，避免过于频繁的fork带来的延迟
   Redis在fork子进程时需要将内存分页表拷贝至子进程，以占用了24GB内存的Redis实例为例，共需要拷贝24GB / 4kB * 8 = 48MB的数据。在使用单Xeon 2.27Ghz的物理机上，这一fork操作耗时216ms。

可以通过INFO命令返回的latest_fork_usec字段查看上一次fork操作的耗时（微秒）

Swap引发的延迟

当Linux将Redis所用的内存分页移至swap空间时，将会阻塞Redis进程，导致Redis出现不正常的延迟。Swap通常在物理内存不足或一些进程在进行大量I/O操作时发生，应尽可能避免上述两种情况的出现。

/proc//smaps文件中会保存进程的swap记录，通过查看这个文件，能够判断Redis的延迟是否由Swap产生。如果这个文件中记录了较大的Swap size，则说明延迟很有可能是Swap造成的。

数据淘汰引发的延迟

当同一秒内有大量key过期时，也会引发Redis的延迟。在使用时应尽量将key的失效时间错开。

引入读写分离机制

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