Redis时延问题分析与应对

　　Redis的事件循环在一个线程中处理，作为一个单线程程序，重要的就是要保证事件处理的时延短，这样，事件循环中的后续任务才不会阻塞;

　　当redis的数据量达到一定级别后(比如说20G)，阻塞操作对性能的影响尤为严重;

　　下面我们总结下在redis中有哪些耗时的场景及应对方法;

　　耗时长的命令造成阻塞

　　keys、sort等命令

　　keys命令用于查找所有符合给定模式 pattern 的 key，时间复杂度为O(N)， N 为数据库中 key 的数量。当数据库中的个数达到千万时，这个命令就会造成读写线程阻塞数秒;

　　类似的命令有sunion sort等操作;

　　如果业务需求中一定要使用keys、sort等操作怎么办?

　　解决方案：

　　在架构设计中，有“分流”一招，是将处理快的请求与处理慢的请求分离来开，否则，慢的影响到了快的，让快的也快不起来;这在redis的设计中体现的非常明显，redis的纯内存操作，epoll非阻塞IO事件处理，这些快的放在一个线程中搞定，而持久化，AOF重写、Master-slave同步数据这些耗时的操作就单开一个进程来处理，不要慢的影响到快的;

　　既然需要使用keys这些耗时的操作，那么我们就将它们剥离出去，比如单开一个redis slave结点，专门用于keys、sort等耗时的操作，这些查询一般不会是线上的实时业务，查询慢点就慢点，主要是能完成任务，而对于线上的耗时快的任务没有影响;

　　save命令

　　save命令使用事件处理线程进行数据的持久化;当数据量大的时候，会造成线程长时间阻塞(我们的生产上，reids内存中1个G保存需要12s左右)，整个redis被block;

　　save阻塞了事件处理的线程，我们甚至无法使用redis-cli查看当前的系统状态，造成“何时保存结束，目前保存了多少”这样的信息都无从得知;

　　解决方案：

　　我没有想到需要用到save命令的场景，任何时候需要持久化的时候使用bgsave都是合理的选择(当然，这个命令也会带来问题，后面聊到);

　　smembers命令

　　smembers命令用于获取集合全集，时间复杂度为O(N),N为集合中的数量;

　　如果一个集合中保存了千万量级的数据，一次取回也会造成事件处理线程的长时间阻塞;

　　解决方案：

　　与sort，keys等命令不一样，smembers可能是线上实时应用场景中使用频率非常高的一个命令，这里分流一招并不适合，我们更多的需要从设计层面来考虑;

　　在设计时，我们可以控制集合的数量，将集合数一般保持在500个以内;

　　比如原来使用一个键来存储一年的记录，数据量大，我们可以使用12个键来分别保存12个月的记录，或者365个键来保存每一天的记录，将集合的规模控制在可接受的范围;

　　如果不容易将集合划分为多个子集合，而坚持用一个大集合来存储，那么在取集合的时候可以考虑使用SRANDMEMBER key [count];随机返回集合中的指定数量，当然，如果要遍历集合中的所有元素，这个命令就不适合了;

　　fork产生的阻塞

　　在redis需要执行耗时的操作时，会新建一个进程来做，比如数据持久化bgsave：

　　开启RDB持久化后，当达到持久化的阈值，redis会fork一个新的进程来做持久化，采用了操作系统的copy-on-wirte写时复制策略，子进程与父进程共享Page。如果父进程的Page(每页4K)有修改，父进程自己创建那个Page的副本，不会影响到子进程;

　　fork新进程时，虽然可共享的数据内容不需要复制，但会复制之前进程空间的内存页表，如果内存空间有40G(考虑每个页表条目消耗 8 个字节)，那么页表大小就有80M，这个复制是需要时间的，如果使用虚拟机，特别是Xen虚拟服务器，耗时会更长;

　　在我们有的服务器结点上测试，35G的数据bgsave瞬间会阻塞200ms以上;

　　类似的，以下这些操作都有进程fork;

　　AOF日志重写：使用AOF持久化方式，做AOF文件重写操作会创建新的进程做重写;(重写并不会去读已有的文件，而是直接使用内存中的数据写成归档日志);

　　Master向slave首次同步数据：当master结点收到slave结点来的syn同步请求，会生成一个新的进程，将内存数据dump到文件上，然后再同步到slave结点中;

　　解决方案：

　　为了应对大内存页表复制时带来的影响，有些可用的措施：

　　控制每个redis实例的最大内存量;

　　不让fork带来的限制太多，可以从内存量上控制fork的时延;

　　一般建议不超过20G，可根据自己服务器的性能来确定(内存越大，持久化的时间越长，复制页表的时间越长，对事件循环的阻塞就延长)

　　新浪微博给的建议是不超过20G，而我们虚机上的测试，要想保证应用毛刺不明显，可能得在10G以下;

　　使用物理机;

　　如果有的选，物理机当然是最佳方案，比上面都要省事;

　　当然，虚拟化实现也有多种，除了Xen系统外，现代的硬件大部分都可以快速的复制页表;

　　但公司的虚拟化一般是成套上线的，不会因为我们个别服务器的原因而变更，如果面对的只有Xen，只能想想如何用好它;

　　使用大内存页，默认内存页使用4KB，这样，当使用40G的内存时，页表就有80M;而将每个内存页扩大到4M，页表就只有80K;这样复制页表几乎没有阻塞，同时也会提高快速页表缓冲TLB(translation lookaside buffer)的命中率;但大内存页也有问题，在写时复制时，只要一个页快中任何一个元素被修改，这个页块都需要复制一份(COW机制的粒度是页面)，这样在写时复制期间，会耗用更多的内存空间;

　　杜绝新进程的产生，不使用持久化，不在主结点上提供查询;实现起来有以下方案：

　　1) 只用单机，不开持久化，不挂slave结点。这样最简单，不会有新进程的产生;但这样的方案只适合缓存;

　　如何来做这个方案的高可用?

　　要做高可用，可以在写redis的前端挂上一个消息队列，在消息队列中使用pub-sub来做分发，保证每个写操作至少落到2个结点上;因为所有结点的数据相同，只需要用一个结点做持久化，这个结点对外不提供查询;

　　2) master-slave：在主结点上开持久化，主结点不对外提供查询，查询由slave结点提供，从结点不提供持久化;这样，所有的fork耗时的操作都在主结点上，而查询请求由slave结点提供;

　　这个方案的问题是主结点坏了之后如何处理?

　　简单的实现方案是主不具有可替代性，坏了之后，redis集群对外就只能提供读，而无法更新;待主结点启动后，再继续更新操作;对于之前的更新操作，可以用MQ缓存起来，等主结点起来之后消化掉故障期间的写请求;

　　如果使用官方的Sentinel将从升级为主，整体实现就相对复杂了;需要更改可用从的ip配置，将其从可查询结点中剔除，让前端的查询负载不再落在新主上;然后，才能放开sentinel的切换操作，这个前后关系需要保证;

　　持久化造成的阻塞

　　执行持久化(AOF / RDB snapshot)对系统性能有较大影响，特别是服务器结点上还有其它读写磁盘的操作时(比如，应用服务和redis服务部署在相同结点上，应用服务实时记录进出报日志);应尽可能避免在IO已经繁重的结点上开Redis持久化;

　　子进程持久化时，子进程的write和主进程的fsync冲突造成阻塞

　　在开启了AOF持久化的结点上，当子进程执行AOF重写或者RDB持久化时，出现了Redis查询卡顿甚至长时间阻塞的问题, 此时, Redis无法提供任何读写操作;

　　原因分析：

　　Redis 服务设置了 appendfsync everysec, 主进程每秒钟便会调用 fsync(), 要求内核将数据”确实”写到存储硬件里. 但由于服务器正在进行大量IO操作, 导致主进程 fsync()/操作被阻塞, 最终导致 Redis 主进程阻塞.

　　redis.conf中是这么说的：

　　When the AOF fsync policy is set to always or everysec, and a background

　　saving process (a background save or AOF log background rewriting) is

　　performing a lot of I/O against the disk, in some Linux configurations

　　Redis may block too long on the fsync() call. Note that there is no fix for

　　this currently, as even performing fsync in a different thread will block

　　our synchronous write(2) call.

　　当执行AOF重写时会有大量IO，这在某些Linux配置下会造成主进程fsync阻塞;

　　解决方案：

　　设置 no-appendfsync-on-rewrite yes, 在子进程执行AOF重写时, 主进程不调用fsync()操作;注意, 即使进程不调用 fsync(), 系统内核也会根据自己的算法在适当的时机将数据写到硬盘(Linux 默认最长不超过 30 秒).

　　这个设置带来的问题是当出现故障时，最长可能丢失超过30秒的数据，而不再是1秒;

　　AOF重写完成后合并数据时造成的阻塞

　　在bgrewriteaof过程中，所有新来的写入请求依然会被写入旧的AOF文件，同时放到AOF buffer中，当rewrite完成后，会在主线程把这部分内容合并到临时文件中之后才rename成新的AOF文件，所以rewrite过程中会不断打印”Background AOF buffer size: 80 MB， Background AOF buffer size: 180 MB”，要监控这部分的日志。这个合并的过程是阻塞的，如果产生了280MB的buffer，在100MB/s的传统硬盘上，Redis就要阻塞2.8秒;

　　解决方案：

　　将硬盘设置的足够大，将AOF重写的阈值调高，保证高峰期间不会触发重写操作;在闲时使用crontab 调用AOF重写命令;

　　子进程AOF重写时，系统的sync造成主进程的write阻塞

　　我们来梳理下：

　　1) 起因：有大量IO操作write(2) 但未主动调用同步操作

　　2) 造成kernel buffer中有大量脏数据

　　3) 系统同步时，sync的同步时间过长

　　4) 造成redis的写aof日志write(2)操作阻塞;

　　5) 造成单线程的redis的下一个事件无法处理，整个redis阻塞(redis的事件处理是在一个线程中进行，其中写aof日志的write(2)是同步阻塞模式调用，与网络的非阻塞write(2)要区分开来)

　　产生1)的原因：这是redis2.6.12之前的问题，AOF rewrite时一直埋头的调用write(2)，由系统自己去触发sync。

　　另外的原因：系统IO繁忙，比如有别的应用在写盘;

　　解决方案：

　　控制系统sync调用的时间;需要同步的数据多时，耗时就长;缩小这个耗时，控制每次同步的数据量;通过配置按比例(vm.dirty_background_ratio)或按值(vm.dirty_bytes)设置sync的调用阈值;(一般设置为32M同步一次)

　　2.6.12以后，AOF rewrite 32M时会主动调用fdatasync;

　　另外，Redis当发现当前正在写的文件有在执行fdatasync(2)时，就先不调用write(2)，只存在cache里，免得被block。但如果已经超过两秒都还是这个样子，则会强行执行write(2)，即使redis会被block住。