【死磕 Redis】------ 理解 Redis 的內存

我們知道 Redis 的所有數據都存儲在內存中，內存是我們系統中的一個非常珍貴的資源，不能隨意浪費，所以如何合理高效地利用 Redis 內存就變得非常重要了。本文從兩個方面來闡述 Redis 的內存機制：

知道 Redis 的內存主要消耗在什麼地方
如何管理內存

查看內存

在文章【死磕 Redis】----- info 命令詳解介紹了 info memory 命令可以查看 Redis 內存消耗情況，是我們分析 Redis 內存使用情況的好工具。執行命令後如下：

我們重點關注幾個指標：

屬性名	屬性說明
`used_memory`	Redis 分配器分配的內存總量，指 Redis 存儲的所有數據所佔的內存
`used_memory_human`	以可讀的形式返回 user_memory
`used_memory_rss`	Redis 進程佔用的物理內存總量
`used_memory_peak`	used_memory 使用的峯值
`used_memory_peak_human`	可讀格式返回 usedmemorypeak
`used_memory_lua`	Lua 引擎消耗的內存大小
`mem_fragmentation_ratio`	usedmemoryrss/used_memory 比值，內存碎片率
`mem_allocator`	Redis 所使用的內存分配器，默認 jemalloc

這裏我們需要重點關注

mem_fragmentation_ratio>1 說明多出來的部分名沒有用於數據存儲，而是被內存碎片所消耗，相差越大，說明內存碎片率越嚴重。mem_fragmentation_ratio<1 一般出現在Redis內存交換（Swap）到硬盤導致（ used_memory>可用最大內存時，Redis會把舊的和不適用的數據寫入到硬盤，這塊空間就叫Swap空間），出現這種情況需要格外關注，硬盤速度遠遠慢於內存，Redis性能就會變得很差，甚至僵死。在理想情況下 mem_fragmentation_ratio 只會比 1 稍微大一點點，也就是 usedmemoryrss 的值應該只比 used_memory 稍微高一些。

內存消耗劃分

Redis 的內存主要包括：對象內存 + 緩衝內存 + 自身內存 + 內存碎片。如下

對象內存

對象內存是 Redis 內存中佔用最大的一塊，存儲着所有的用戶數據。我們知道 Redis 是一個 key-value 的內存數據庫，所有的數據都採用 key-value 型數據類型，每次在創建 key-value 鍵值對對象的時候都要創建兩個對象：key 對象和value 對象。其中 key 對象是字符串，value 對象我們知道有五中數據類型-String、Hash、List、Set、Zset，每種數據類型在使用的時候佔用的內存不同。

緩衝內存

主要包括：客戶端緩衝、AOF 緩衝區、複製積壓緩衝區。

客戶端緩衝：普通的客戶端連接
AOF 緩衝區：Redis 持久化分爲兩種：RDB 和 AOF，其中 RDB 是內存快照，AOF 是將 Redis 的命令 append 在文件中，不過在寫入文件之前會先寫入到緩衝區，然後根據不同的持久化策略向磁盤進行同步。在進行 AOF 重寫時也有一個AOF 重寫緩衝區。一般 AOF 緩衝區都會比較小。
複製積壓緩衝區：主要用於主從同步。在進行主從同步時，Redis 會將最新的命令寫入到複製積壓緩衝區，在進行復制的時候，會校驗複製偏移量是否在複製積壓緩衝區中，如果是則進行部分複製，否則進行全量複製。它默認情況下是 1MB，我們需要根據實際請求適當調整他的大小，畢竟設置太小的話，可能會使部分複製退化爲全量複製。

自身內存

自身內存主要指 AOF/RDB 的時候 Redis 創建子進程內存的消耗，一般這部分的消耗會比較小。

內存碎片

目前可選的分配器有 jemalloc、glibc、tcmalloc，默認 jemalloc。

出現高內存碎片問題的情況：大量的更新操作，比如 append、setrange；大量的過期鍵刪除，釋放的空間無法得到有效利用。

解決辦法：數據對齊，安全重啓（高可用/主從切換）。

內存管理

設置 maxmemory

如果我們不設置 maxmemory ，Redis 則默認使用無限內存，所以爲了 Redis 不繫統的內存耗盡，我們在使用 Redis 的時候儘量去配置 maxmemory，給 Redis 設置內存使用上限。maxmemory 配置的是 Redis 的實際使用內存，即 usedmemory，但是由於有內存碎片的存在，所以 Redis 實際使用的內存會比 usedmemory 要大，在合理情況下一般只會大一點點。

配置內存回收策略

Redis 回收內存大致有兩種機制：

刪除達到過期時間的對象
當內存達到 maxmemory 時觸發內存溢出控制策略，強制刪除選擇出來的對象

Redis 刪除過期鍵值對對象一般有兩種策略：惰性刪除和主動定時任務刪除。

惰性刪除：這種刪除策略，Redis 不會主動去刪除已經過期的鍵值對，而是等待客戶端去讀取帶有超時屬性的鍵時，如果已經超時了則刪除該鍵值對對象，然後返回空。這樣有一個好處就是節省了 CPU ，因爲 Redis 不需要單獨去維護 TTL 鏈表來處理過期鍵的刪除，但是有一個壞處就是如果過期的鍵一直都沒有被訪問，則永遠不會被刪除了。那麼怎麼解決呢？Redis 提供了一個定時任務的刪除機制來補救。

定時任務刪除：Redis 內部維護一個定時任務，默認是每秒運行 10 次，刪除邏輯如下圖：

內存溢出控制策略

當 Redis 所用內存達到 maxmemory 上限時會觸發相應的溢出控制策略。Redis支持6種策略，如下所示：

策略	說明
noeviction	默認策略，不會刪除任何數據，拒絕所有寫入操作並返回客戶端錯誤信息（error）OOM command not allowed when used memory，此時Redis只響應讀操作。
volatile-lru	根據LRU算法刪除設置了超時屬性（expire）的鍵，直到騰出足夠空間爲止。如果沒有可刪除的鍵對象，回退到noeviction策略。
allkeys-lru	根據LRU算法刪除鍵，不管數據有沒有設置超時屬性，直到騰出足夠空間爲止。
allkeys-random	隨機刪除所有鍵，直到騰出足夠空間爲止。
volatile-random	隨機刪除過期鍵，直到騰出足夠空間爲止。
volatile-ttl	根據鍵值對象的ttl屬性，刪除最近將要過期數據。如果沒有，回退到noeviction策略。