摘要：聚焦Redis的性能分析，思考Redis 可以通過哪些機制來提高性能，當性能瓶頸發生的時候，我們又能做出哪些優化策略，最終確保業務系統的穩定運行。
本文分享自華爲雲社區《分析內部運行機制，教你解決Redis性能問題》，作者： 華爲雲社區精選。
Redis是一種鍵值數據庫，有着時延低、性能好、數據結構豐富的特點，常用作緩存、排行榜、計數器、 消息隊列等，是電商秒殺、聊天系統等業務場景中的“熟客”。
作爲一個“緩存中間商”，Redis的性能問題至關重要，一旦發生操作延遲問題，很容易引起連鎖反應。所以本文聚焦Redis的性能分析，從Redis的基本概念出發，瞭解Redis是什麼，它的運行機制，思考Redis可以通過哪些機制來提高性能，當性能瓶頸發生的時候，我們又能做出哪些優化策略，最終確保業務系統的穩定運行。
讀懂Redis：緩存神器原來是這樣工作的
一個網站總有大量的數據是用戶共享的，如果每個用戶都去數據庫查詢，效率就太低了。所以有了新的解決方案：將用戶共享數據緩存到服務器的內存中。
舉個例子，應用程序們從MySQL查詢到的數據，會到Redis這裏登記，後面再需要用的時候，就先查找Redis的緩存，無需返回到MySQL查找。一套流程下來，爲MySQL減輕了不小的負擔，網絡服務的性能顯著提升。
Redis堪稱數據庫屆的萬金油，哪裏需要往哪裏搬，這也得益於它有着豐富的數據結構，以及強大的讀寫性能。
以數據結構爲例，Redis和其他結構化存儲的重要區別便是，它不僅支持字符串，還支持不同類型的抽象數據結構，如列表、映射、集、排序集、HyperLogLogs、位圖、流和空間索引等。那麼Redis是如何做到如此“萬能”的，它支持的這些數據結構又是如何從底層實現呢？《三次給你聊清楚Redis》之Redis是個啥 就從非關係型數據庫談起，詳細聊了聊這個問題，就像最簡單的字符串，Redis並未沿襲傳統c語言的慣例，而是單獨構建了一種簡單的動態字符串抽象類型，並充分利用SDS實現。
當然，如果你想進一步瞭解Redis系統的設計理念，比如它通過什麼機制將數據緩存到內存中，開發大系統必備技術之Redis技術學習與研究或許會給你一些啓發，作者談到了Redis的歷史、流行度、設計思想，並通過支持Redis的Java客戶端Jedis ，用詳盡的代碼案例一步步演示了它支持的數據類型使用方法，它的事務特性、集羣等等，更爲具象地瞭解Redis的特點。
當我們對Redis的基本原理了然於胸後，再針對業務場景進行優化時，也能更合理地使用各種Redis命令。
Redis性能：禍福相依的內部運行機制
Redis的最大特點是使用內存來存儲數據，當內存超過物理內存的限制後，內存數據會和磁盤產生頻繁的交換，最終導致Redis性能急劇下降。所以在生產環境中我們通過配置參數maxmemoey來限制使用的內存大小。 在有趣的Redis：緩存被我寫滿了，該怎麼辦？ 中，作者詳細解釋了2個常見的緩存淘汰算法LRU算法和LFU算法，如何刪除那些沒用的數據。
另一方面，Redis爲了把內存中的數據持久到磁盤上，也提供了完善的持久化機制，主要包括2種：
- RDB：產生一個數據快照文件
- AOF：實時追加命令的日誌文件
但是如果配置不合理，持久化會佔用過多內存從而影響性能。舉個例子，如果AOF的刷盤時機設置爲每次寫入都刷盤，由於每次寫命令都需要寫入文件並刷到磁盤中才會返回，當寫入量很大時，會增加磁盤IO的負擔，大大降低Redis的寫入性能。Redis 持久化是如何做的？一文聊聊 RDB和AOF對比分析 談到了這兩種持久化機制對Redis性能的影響，建議大家針對不同的業務場景選擇合適的持久化方式。
在討論Redis性能問題的時候，不得不提的一點是它的單線程結構，這裏的單線程指的是執行命令 ，比如一條命令從客戶端到達服務端不會立刻被執行，而是會進入一個隊列中等待，每次只會有一條指令被選中執行。【Redis破障之路】：Redis單線程架構 詳細分析了單線程模型的Redis爲什麼性能如此之高，能達到每秒萬級別的處理能力，簡單透露兩點：純內存訪問、I/O多路複用技術，具體可以閱讀文章。而Redis的單線程架構，也意味着網絡問題會對它的性能產生一定的影響。
另外，當業務規模擴大，單個Redis服務無法承載的時候，我們常常會用分佈式架構來提高Redis的性能，Redis主從複製以及哨兵的原理解讀 和 Redis Sentinel 源碼：Redis的高可用模型分析 都討論了主從模式下的關鍵功能：哨兵，通過對其源碼的理解，詳細說明了哨兵的代碼實現方式，並學會使用哨兵功能解決主節點的寫能力、存儲能力限制等等。
除此之外，諸如數據結構的複雜度、網絡帶寬、操作系統以及硬件本身都會對Redis的性能產生影響，它的性能問題幾乎涵蓋了 CPU、內存、網絡、磁盤的方方面面，再此不一一贅述。
綜上，我們分析了影響Redis性能的一些關鍵內部機制，比如它的緩存淘汰算法；它的持久化會佔用過多內存從而影響性能；它的單線程架構等。通過了解Redis的這些內部實現原理，也能進一步幫助大家排查它的性能問題。
Redis調優：宕機怎麼辦？收下這幾顆靈丹妙藥
下面，我們將給出一些應對Redis性能問題的解決方案。
以常見的緩存問題爲例，通常情況下，Redis緩存層由於某種原因宕機後，所有的請求會湧向存儲層，短時間內的高併發請求可能會導致存儲層掛機，稱之爲“Redis雪崩”。Redis緩存異常應對方案分析 有針對性的總結了Redis發生緩存穿透、雪崩、擊穿情況時，能夠有效應對的解決方案，比如不要給訪問頻繁的熱點數據設置過期時間，從而解決Redis實例沒有起到緩存層作用的問題。
大key也是影響Redis性能的關鍵因素，如果一個 key 寫入的 value 非常大，那麼 Redis 在分配內存時就會比較耗時。同樣的，當刪除這個 key 時，釋放內存也會比較耗時，這種類型的 key 我們一般稱之爲 大key。 在 分佈式緩存數據庫Redis大KEY問題定位及優化建議 中，作者就針對數據庫報錯OOM來一步步分析大key的問題，先是查看Redis集羣內存監控指標，確認內存異常分片，然後通過在線&離線工具分析，結果顯示大key導致數據大小分佈不均。對此作者給出了兩個方案：短期是刪除查詢到的key，長期是對大key進行拆分。
另一個經常被詬病性能問題的是fork， fork是開源Redis的一個重要依賴，當 Redis 開啓了後臺 RDB 和 AOF rewrite 後，在執行時，它們都需要主進程創建出一個子進程進行數據的持久化，fork就是創建子進程的系統調用函數。
在華爲雲GaussDB(for Redis)服務團隊支撐某客戶業務上雲的過程中 ，就發現了由fork引發的時延抖動問題，文章一場由fork引發的超時，讓我們重新探討了Redis的抖動問題 還原了當時的場景，探究了fork對性能的影響，包括業務抖動、內存率利用率降低和實例容量受限。比如，在電商大促、熱點事件等業務高峯時發生上述fork，會導致Redis阻塞，進而對業務造成雪崩的影響。
團隊通過修改日誌、系統性排查整改代碼中的 fork調用，最後在新版本GaussDB(for Redis)中解決了該問題，並清零了內部的fork使用，與原生Redis相比，徹底解決了fork的性能隱患。
其實，考慮到業務場景越來越複雜，原生Redis出現性能瓶頸難以避免。這時候，最簡單粗暴的解決方法就是使用商業版本的Redis，一勞永逸解決可能存在的性能問題。
在 GaussDB(for Redis)與原生Redis集羣的性能對比 中，就比較了華爲雲自研Redis和原生Redis集羣在X86架構下的性能測試報告，結果表明GaussDB(for Redis)在性能、抗寫和存儲成本上的優勢明顯。
從相識到相惜：Redis與計算存儲分離四部曲 進一步從技術角度拆解分析了GaussDB(for Redis)如何在存算分離的架構下，實現強一致、秒擴容、超可用、低成本。以強一致爲例，Redis遇到流量壓力進行主從切換時很容易發生數據不同步問題，GaussDB ( for Redis)就在存儲層（DFV層）去進行強一致的數據同步，而非計算層，這樣就避免了任何中間態下的數據的不一致，再也不用擔心宕機導致數據丟失。更多的技術細節揭祕，也可以閱讀這組專題高斯Redis揭祕系列文章，更全面的認識GaussDB ( for Redis)。
Redis的性能問題，涉及到的技術細節很多，本專題只是列出了一些較爲典型的問題，希望讀者能夠通過上述提及的技術文章，對它有更深入的認識，學會從底層運行機制去思考Redis的性能調優。