前言

在使用redis時(shí)，我們會(huì)遇到一個(gè)問題，數(shù)據(jù)刪除后，數(shù)據(jù)量已經(jīng)不大了，但是使用top命令查看，還會(huì)發(fā)現(xiàn)redis占用了很對(duì)內(nèi)存。實(shí)際上，因?yàn)閿?shù)據(jù)刪除后，redis釋放內(nèi)存由內(nèi)存分配器管理，不會(huì)立刻返回給操作系統(tǒng)。所以，操作系統(tǒng)仍然記錄著給redis分配了大量的內(nèi)存

這往往會(huì)伴隨一個(gè)潛在的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)：Redis 釋放的內(nèi)存空間可能并不是連續(xù)的，那么，這些不連續(xù)的內(nèi)存空間很有可能處于一種閑置的狀態(tài)。這就會(huì)導(dǎo)致一個(gè)問題：雖然有空閑空間，Redis 卻無法用來保存數(shù)據(jù)，不僅會(huì)減少 Redis 能夠?qū)嶋H保存的數(shù)據(jù)量，還會(huì)降低 Redis 運(yùn)行機(jī)器的成本回報(bào)率。

什么是內(nèi)存碎片

通常情況下，內(nèi)存空間利用率低，往往是因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)發(fā)生了比較嚴(yán)重的內(nèi)存碎片，那么什么是內(nèi)存碎片呢？可以將內(nèi)存看成是高鐵上的作為，連續(xù)的空間相當(dāng)于連座，內(nèi)存碎片可以看成一個(gè)個(gè)零散的作為，如果你是3個(gè)人出行，火車上沒有三個(gè)座位連著的，那么你就沒法買到合適的作為，可能需要換一輛車

內(nèi)存類似，如果需要申請(qǐng)一個(gè)N字節(jié)的連續(xù)空間，但是沒有這么大的連續(xù)空間，那么，這些剩余空間就是內(nèi)存碎片，redis內(nèi)存碎片是什么原因?qū)е碌哪兀私饬嗽虿庞锌赡鼙容^好的解決

內(nèi)存碎片形成的原因

一般來說內(nèi)存碎片形成的原因有兩個(gè)，內(nèi)因是操作系統(tǒng)的內(nèi)存分配機(jī)制，外因是redis的負(fù)載特征

內(nèi)因：內(nèi)存分配器策略

內(nèi)存分配器的分配策略就決定了操作系統(tǒng)無法做到“按需分配”。這是因?yàn)椋瑑?nèi)存分配器一般是按固定大小來分配內(nèi)存，而不是完全按照應(yīng)用程序申請(qǐng)的內(nèi)存空間大小給程序分配。

Redis 可以使用 libc、jemalloc、tcmalloc 多種內(nèi)存分配器來分配內(nèi)存，默認(rèn)使用 jemalloc。接下來，我就以 jemalloc 為例，來具體解釋一下。其他分配器也存在類似的問題。

jemalloc 的分配策略之一，是按照一系列固定的大小劃分內(nèi)存空間，例如 8 字節(jié)、16 字節(jié)、32 字節(jié)、48 字節(jié)，…, 2KB、4KB、8KB 等。當(dāng)程序申請(qǐng)的內(nèi)存最接近某個(gè)固定值時(shí)，jemalloc 會(huì)給它分配相應(yīng)大小的空間。

外因：鍵值對(duì)大小不一樣和刪改操作

redis通常作為公共緩存和鍵值數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)外提供服務(wù)，所以對(duì)于不同大小的數(shù)據(jù)，redis申請(qǐng)內(nèi)存空間大小不一，這是一個(gè)外因。

因?yàn)閮?nèi)存分配是按照固定大小分配，所以內(nèi)存空間一般都會(huì)比申請(qǐng)的空間大一些，所以本身就會(huì)有一些內(nèi)存碎片，降低內(nèi)存空間存儲(chǔ)效率。

第二個(gè)外因是，這些數(shù)據(jù)會(huì)被刪除和修改，會(huì)導(dǎo)致空間空間擴(kuò)充和釋放，具體來說，一方面，如果修改后的鍵值對(duì)變大或變小了，就需要占用額外的空間或者釋放不用的空間。另一方面，刪除的鍵值對(duì)就不再需要內(nèi)存空間了，此時(shí)，就會(huì)把空間釋放出來，形成空閑空間

一開始，應(yīng)用 A、B、C、D 分別保存了 3、1、2、4 字節(jié)的數(shù)據(jù)，并占據(jù)了相應(yīng)的內(nèi)存空間。然后，應(yīng)用 D 刪除了 1 個(gè)字節(jié)，這個(gè) 1 字節(jié)的內(nèi)存空間就空出來了。緊接著，應(yīng)用 A 修改了數(shù)據(jù)，從 3 字節(jié)變成了 4 字節(jié)。為了保持 A 數(shù)據(jù)的空間連續(xù)性，操作系統(tǒng)就需要把 B 的數(shù)據(jù)拷貝到別的空間，比如拷貝到 D 剛剛釋放的空間中。此時(shí)，應(yīng)用 C 和 D 也分別刪除了 2 字節(jié)和 1 字節(jié)的數(shù)據(jù)，整個(gè)內(nèi)存空間上就分別出現(xiàn)了 2 字節(jié)和 1 字節(jié)的空閑碎片。如果應(yīng)用 E 想要一個(gè) 3 字節(jié)的連續(xù)空間，顯然是不能得到滿足的。因?yàn)椋m然空間總量夠，但卻是碎片空間，并不是連續(xù)的。

好了，到這里，我們就知道了造成內(nèi)存碎片的內(nèi)外因素，其中，內(nèi)存分配器策略是內(nèi)因，而 Redis 的負(fù)載屬于外因，包括了大小不一的鍵值對(duì)和鍵值對(duì)修改刪除帶來的內(nèi)存空間變化。

如何判斷是否有內(nèi)存碎片

Redis 是內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)，內(nèi)存利用率的高低直接關(guān)系到 Redis 運(yùn)行效率的高低。為了讓用戶能監(jiān)控到實(shí)時(shí)的內(nèi)存使用情況，Redis 自身提供了 INFO 命令，可以用來查詢內(nèi)存使用的詳細(xì)信息，命令如下：

INFO memory
# Memory
used_memory:1073741736
used_memory_human:1024.00M
used_memory_rss:1997159792
used_memory_rss_human:1.86G
…
mem_fragmentation_ratio:1.86O memory

INFO memory
# Memory
used_memory:1073741736
used_memory_human:1024.00M
used_memory_rss:1997159792
used_memory_rss_human:1.86G
…
mem_fragmentation_ratio:1.86

這里有一個(gè) mem_fragmentation_ratio 的指標(biāo)，它表示的就是 Redis 當(dāng)前的內(nèi)存碎片率。那么，這個(gè)碎片率是怎么計(jì)算的呢？其實(shí)，就是上面的命令中的兩個(gè)指標(biāo) used_memory_rss 和 used_memory 相除的結(jié)果。

mem_fragmentation_ratio = used_memory_rss/ used_memory

used_memory_rss 是操作系統(tǒng)實(shí)際分配給 Redis 的物理內(nèi)存空間，里面就包含了碎片；而 used_memory 是 Redis 為了保存數(shù)據(jù)實(shí)際申請(qǐng)使用的空間。

我簡(jiǎn)單舉個(gè)例子。例如，Redis 申請(qǐng)使用了 100 字節(jié)（used_memory），操作系統(tǒng)實(shí)際分配了 128 字節(jié)（used_memory_rss），此時(shí)，mem_fragmentation_ratio 就是 1.28。

那么，知道了這個(gè)指標(biāo)，我們?cè)撊绾问褂媚兀吭谶@兒，我提供一些經(jīng)驗(yàn)閾值：

• mem_fragmentation_ratio大于1小于1.5。這種情況是合理的。這是因?yàn)椋瑒偛盼医榻B的那些因素是難以避免的。畢竟，內(nèi)因的內(nèi)存分配器是一定要使用的，分配策略都是通用的，不會(huì)輕易修改；而外因由 Redis 負(fù)載決定，也無法限制。所以，存在內(nèi)存碎片也是正常的。
• mem_fragmentation_ratio大于1.5。 這表明內(nèi)存碎片率已經(jīng)超過了 50%。一般情況下，這個(gè)時(shí)候，我們就需要采取一些措施來降低內(nèi)存碎片率了。
  

如何清理內(nèi)存碎片

當(dāng) Redis 發(fā)生內(nèi)存碎片后，一個(gè)“簡(jiǎn)單粗暴”的方法就是重啟redis實(shí)例，當(dāng)然這并不是一個(gè)優(yōu)雅的方法，重啟會(huì)帶來一些問題

• 如果數(shù)據(jù)沒有持久化，那么數(shù)據(jù)會(huì)丟失
• 如果數(shù)據(jù)持久化了，我們需要通過AOF或RDB進(jìn)行恢復(fù)，恢復(fù)時(shí)長(zhǎng)取決于AOF或RDB的大小，如果只有一個(gè)實(shí)例，在恢復(fù)階段無法提供服務(wù)。
  

幸運(yùn)的是，從 4.0-RC3 版本以后，Redis 自身提供了一種內(nèi)存碎片自動(dòng)清理的方法，我們先來看這個(gè)方法的基本機(jī)制。還是通過一張圖來看下

在進(jìn)行碎片清理前，這段 10 字節(jié)的空間中分別有 1 個(gè) 2 字節(jié)和 1 個(gè) 1 字節(jié)的空閑空間，只是這兩個(gè)空間并不連續(xù)。操作系統(tǒng)在清理碎片時(shí)，會(huì)先把應(yīng)用 D 的數(shù)據(jù)拷貝到 2 字節(jié)的空閑空間中，并釋放 D 原先所占的空間。然后，再把 B 的數(shù)據(jù)拷貝到 D 原來的空間中。這樣一來，這段 10 字節(jié)空間的最后三個(gè)字節(jié)就是一塊連續(xù)空間了。到這里，碎片清理結(jié)束。

需要注意：碎片清理事由代價(jià)的，操作系統(tǒng)需要把多份數(shù)據(jù)拷貝到新位置，把原有空間釋放出來，這會(huì)帶來時(shí)間開銷。因?yàn)?Redis 是單線程，在數(shù)據(jù)拷貝時(shí)，Redis 只能等著，這就導(dǎo)致 Redis 無法及時(shí)處理請(qǐng)求，性能就會(huì)降低。而且，有的時(shí)候，數(shù)據(jù)拷貝還需要注意順序，就像剛剛說的清理內(nèi)存碎片的例子，操作系統(tǒng)需要先拷貝 D，并釋放 D 的空間后，才能拷貝 B。這種對(duì)順序性的要求，會(huì)進(jìn)一步增加 Redis 的等待時(shí)間，導(dǎo)致性能降低。

那么，有什么辦法可以盡量緩解這個(gè)問題嗎？這就要提到，Redis 專門為自動(dòng)內(nèi)存碎片清理功機(jī)制設(shè)置的參數(shù)了。我們可以通過設(shè)置參數(shù)，來控制碎片清理的開始和結(jié)束時(shí)機(jī)，以及占用的 CPU 比例，從而減少碎片清理對(duì) Redis 本身請(qǐng)求處理的性能影響。

首先，Redis 需要啟用自動(dòng)內(nèi)存碎片清理，可以把 activedefrag 配置項(xiàng)設(shè)置為 yes，命令如下：

config set activedefrag yes

這個(gè)命令只是啟用了自動(dòng)清理功能，但是，具體什么時(shí)候清理，會(huì)受到下面這兩個(gè)參數(shù)的控制。這兩個(gè)參數(shù)分別設(shè)置了觸發(fā)內(nèi)存清理的一個(gè)條件，如果同時(shí)滿足這兩個(gè)條件，就開始清理。在清理的過程中，只要有一個(gè)條件不滿足了，就停止自動(dòng)清理。

• active-defrag-ignore-bytes 100mb：表示內(nèi)存碎片數(shù)量達(dá)到100MB時(shí)，開始清理
• active-defrag-threshold-lower 10：表示內(nèi)存碎片空間占操作系統(tǒng)給redis分配空間的10%時(shí)開始清理
  

為了盡可能減少碎片清理對(duì) Redis 正常請(qǐng)求處理的影響，自動(dòng)內(nèi)存碎片清理功能在執(zhí)行時(shí)，還會(huì)監(jiān)控清理操作占用的 CPU 時(shí)間，而且還設(shè)置了兩個(gè)參數(shù)，分別用于控制清理操作占用的 CPU 時(shí)間比例的上、下限，既保證清理工作能正常進(jìn)行，又避免了降低 Redis 性能。這兩個(gè)參數(shù)具體如下：

• active-defrag-cycle-min 25：表示自動(dòng)清理過程cpu時(shí)間筆記不低于25%，保證清理能正常開展
• active-defrag-cycle-max 75：表示自動(dòng)清理過程所用 CPU 時(shí)間的比例不高于 75%，一旦超過，就停止清理，從而避免在清理時(shí)，大量的內(nèi)存拷貝阻塞 Redis，導(dǎo)致響應(yīng)延遲升高。
  

自動(dòng)內(nèi)存碎片清理機(jī)制在控制碎片清理啟停的時(shí)機(jī)上，既考慮了碎片的空間占比、對(duì) Redis 內(nèi)存使用效率的影響，還考慮了清理機(jī)制本身的 CPU 時(shí)間占比、對(duì) Redis 性能的影響。而且，清理機(jī)制還提供了 4 個(gè)參數(shù)，讓我們可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的數(shù)據(jù)量需求和性能要求靈活使用，建議你在實(shí)踐中好好地把這個(gè)機(jī)制用起來。

總結(jié)

到此這篇關(guān)于redis內(nèi)存空間效率問題的文章就介紹到這了,更多相關(guān)redis內(nèi)存空間效率內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！