Question

除了下面介绍的内容之外，再推荐两篇不错的文章：

• 你的 Redis 真的变慢了吗？性能优化如何做 - 阿里开发者

使用批量操作减少网络传输

一个 Redis 命令的执行可以简化为以下 4 步：

1. 发送命令
2. 命令排队
3. 命令执行
4. 返回结果

其中，第 1 步和第 4 步耗费时间之和称为 Round Trip Time (RTT,往返时间) ，也就是数据在网络上传输的时间。

使用批量操作可以减少网络传输次数，进而有效减小网络开销，大幅减少 RTT。

另外，除了能减少 RTT 之外，发送一次命令的 socket I/O 成本也比较高（涉及上下文切换，存在 read() 和 write() 系统调用），批量操作还可以减少 socket I/O 成本。这个在官方对 pipeline 的介绍中有提到： https://redis.io/docs/manual/pipelining/ 。

原生批量操作命令

Redis 中有一些原生支持批量操作的命令，比如：

• MGET (获取一个或多个指定 key 的值)、 MSET (设置一个或多个指定 key 的值)、
• HMGET (获取指定哈希表中一个或者多个指定字段的值)、 HMSET (同时将一个或多个 field-value 对设置到指定哈希表中)、
• SADD （向指定集合添加一个或多个元素）

不过，在 Redis 官方提供的分片集群解决方案 Redis Cluster 下，使用这些原生批量操作命令可能会存在一些小问题需要解决。就比如说 MGET 无法保证所有的 key 都在同一个 hash slot（哈希槽）上， MGET 可能还是需要多次网络传输，原子操作也无法保证了。不过，相较于非批量操作，还是可以节省不少网络传输次数。

整个步骤的简化版如下（通常由 Redis 客户端实现，无需我们自己再手动实现）：

1. 找到 key 对应的所有 hash slot；
2. 分别向对应的 Redis 节点发起 MGET 请求获取数据；
3. 等待所有请求执行结束，重新组装结果数据，保持跟入参 key 的顺序一致，然后返回结果。

如果想要解决这个多次网络传输的问题，比较常用的办法是自己维护 key 与 slot 的关系。不过这样不太灵活，虽然带来了性能提升，但同样让系统复杂性提升。

Redis Cluster 并没有使用一致性哈希，采用的是 哈希槽分区 ，每一个键值对都属于一个 hash slot（哈希槽） 。当客户端发送命令请求的时候，需要先根据 key 通过上面的计算公示找到的对应的哈希槽，然后再查询哈希槽和节点的映射关系，即可找到目标 Redis 节点。

我在 Redis 集群详解（付费） 这篇文章中详细介绍了 Redis Cluster 这部分的内容，感兴趣地可以看看。

pipeline

对于不支持批量操作的命令，我们可以利用 pipeline（流水线) 将一批 Redis 命令封装成一组，这些 Redis 命令会被一次性提交到 Redis 服务器，只需要一次网络传输。不过，需要注意控制一次批量操作的 元素个数(例如 500 以内，实际也和元素字节数有关)，避免网络传输的数据量过大。

与 MGET 、 MSET 等原生批量操作命令一样，pipeline 同样在 Redis Cluster 上使用会存在一些小问题。原因类似，无法保证所有的 key 都在同一个 hash slot（哈希槽）上。如果想要使用的话，客户端需要自己维护 key 与 slot 的关系。

原生批量操作命令和 pipeline 的是有区别的，使用的时候需要注意：

• 原生批量操作命令是原子操作，pipeline 是非原子操作。
• pipeline 可以打包不同的命令，原生批量操作命令不可以。
• 原生批量操作命令是 Redis 服务端支持实现的，而 pipeline 需要服务端和客户端的共同实现。

顺带补充一下 pipeline 和 Redis 事务的对比：

• 事务是原子操作，pipeline 是非原子操作。两个不同的事务不会同时运行，而 pipeline 可以同时以交错方式执行。
• Redis 事务中每个命令都需要发送到服务端，而 Pipeline 只需要发送一次，请求次数更少。

事务可以看作是一个原子操作，但其实并不满足原子性。当我们提到 Redis 中的原子操作时，主要指的是这个操作（比如事务、Lua 脚本）不会被其他操作（比如其他事务、Lua 脚本）打扰，并不能完全保证这个操作中的所有写命令要么都执行要么都不执行。这主要也是因为 Redis 是不支持回滚操作。

另外，pipeline 不适用于执行顺序有依赖关系的一批命令。就比如说，你需要将前一个命令的结果给后续的命令使用，pipeline 就没办法满足你的需求了。对于这种需求，我们可以使用 Lua 脚本 。

Lua 脚本

Lua 脚本同样支持批量操作多条命令。一段 Lua 脚本可以视作一条命令执行，可以看作是 原子操作 。也就是说，一段 Lua 脚本执行过程中不会有其他脚本或 Redis 命令同时执行，保证了操作不会被其他指令插入或打扰，这是 pipeline 所不具备的。

并且，Lua 脚本中支持一些简单的逻辑处理比如使用命令读取值并在 Lua 脚本中进行处理，这同样是 pipeline 所不具备的。

不过， Lua 脚本依然存在下面这些缺陷：

• 如果 Lua 脚本运行时出错并中途结束，之后的操作不会进行，但是之前已经发生的写操作不会撤销，所以即使使用了 Lua 脚本，也不能实现类似数据库回滚的原子性。
• Redis Cluster 下 Lua 脚本的原子操作也无法保证了，原因同样是无法保证所有的 key 都在同一个 hash slot（哈希槽）上。

大量 key 集中过期问题

我在前面提到过：对于过期 key，Redis 采用的是 定期删除+惰性/懒汉式删除 策略。

定期删除执行过程中，如果突然遇到大量过期 key 的话，客户端请求必须等待定期清理过期 key 任务线程执行完成，因为这个这个定期任务线程是在 Redis 主线程中执行的。这就导致客户端请求没办法被及时处理，响应速度会比较慢。

如何解决呢？ 下面是两种常见的方法：

1. 给 key 设置随机过期时间。
2. 开启 lazy-free（惰性删除/延迟释放） 。lazy-free 特性是 Redis 4.0 开始引入的，指的是让 Redis 采用异步方式延迟释放 key 使用的内存，将该操作交给单独的子线程处理，避免阻塞主线程。

个人建议不管是否开启 lazy-free，我们都尽量给 key 设置随机过期时间。

Redis bigkey（大 Key）

什么是 bigkey？

简单来说，如果一个 key 对应的 value 所占用的内存比较大，那这个 key 就可以看作是 bigkey。具体多大才算大呢？有一个不是特别精确的参考标准：

• String 类型的 value 超过 1MB
• 复合类型（List、Hash、Set、Sorted Set 等）的 value 包含的元素超过 5000 个（不过，对于复合类型的 value 来说，不一定包含的元素越多，占用的内存就越多）。

bigkey 是怎么产生的？有什么危害？

bigkey 通常是由于下面这些原因产生的：

• 程序设计不当，比如直接使用 String 类型存储较大的文件对应的二进制数据。
• 对于业务的数据规模考虑不周到，比如使用集合类型的时候没有考虑到数据量的快速增长。
• 未及时清理垃圾数据，比如哈希中冗余了大量的无用键值对。

bigkey 除了会消耗更多的内存空间和带宽，还会对性能造成比较大的影响。

在 Redis 常见阻塞原因总结这篇文章中我们提到：大 key 还会造成阻塞问题。具体来说，主要体现在下面三个方面：

1. 客户端超时阻塞：由于 Redis 执行命令是单线程处理，然后在操作大 key 时会比较耗时，那么就会阻塞 Redis，从客户端这一视角看，就是很久很久都没有响应。
2. 网络阻塞：每次获取大 key 产生的网络流量较大，如果一个 key 的大小是 1 MB，每秒访问量为 1000，那么每秒会产生 1000MB 的流量，这对于普通千兆网卡的服务器来说是灾难性的。
3. 工作线程阻塞：如果使用 del 删除大 key 时，会阻塞工作线程，这样就没办法处理后续的命令。

大 key 造成的阻塞问题还会进一步影响到主从同步和集群扩容。

综上，大 key 带来的潜在问题是非常多的，我们应该尽量避免 Redis 中存在 bigkey。

如何发现 bigkey？

1、使用 Redis 自带的 --bigkeys 参数来查找。

# redis-cli -p 6379 --bigkeys

# Scanning the entire keyspace to find biggest keys as well as
# average sizes per key type.  You can use -i 0.1 to sleep 0.1 sec
# per 100 SCAN commands (not usually needed).

[00.00%] Biggest string found so far '"ballcat:oauth:refresh_auth:f6cdb384-9a9d-4f2f-af01-dc3f28057c20"' with 4437 bytes
[00.00%] Biggest list   found so far '"my-list"' with 17 items

-------- summary -------

Sampled 5 keys in the keyspace!
Total key length in bytes is 264 (avg len 52.80)

Biggest   list found '"my-list"' has 17 items
Biggest string found '"ballcat:oauth:refresh_auth:f6cdb384-9a9d-4f2f-af01-dc3f28057c20"' has 4437 bytes

1 lists with 17 items (20.00% of keys, avg size 17.00)
0 hashs with 0 fields (00.00% of keys, avg size 0.00)
4 strings with 4831 bytes (80.00% of keys, avg size 1207.75)
0 streams with 0 entries (00.00% of keys, avg size 0.00)
0 sets with 0 members (00.00% of keys, avg size 0.00)
0 zsets with 0 members (00.00% of keys, avg size 0.00

从这个命令的运行结果，我们可以看出：这个命令会扫描(Scan) Redis 中的所有 key ，会对 Redis 的性能有一点影响。并且，这种方式只能找出每种数据结构 top 1 bigkey（占用内存最大的 String 数据类型，包含元素最多的复合数据类型）。然而，一个 key 的元素多并不代表占用内存也多，需要我们根据具体的业务情况来进一步判断。

在线上执行该命令时，为了降低对 Redis 的影响，需要指定 -i 参数控制扫描的频率。 redis-cli -p 6379 --bigkeys -i 3 表示扫描过程中每次扫描后休息的时间间隔为 3 秒。

2、使用 Redis 自带的 SCAN 命令

SCAN 命令可以按照一定的模式和数量返回匹配的 key。获取了 key 之后，可以利用 STRLEN 、 HLEN 、 LLEN 等命令返回其长度或成员数量。

数据结构	命令	复杂度	结果（对应 key）
String	STRLEN	O(1)	字符串值的长度
Hash	HLEN	O(1)	哈希表中字段的数量
List	LLEN	O(1)	列表元素数量
Set	SCARD	O(1)	集合元素数量
Sorted Set	ZCARD	O(1)	有序集合的元素数量

对于集合类型还可以使用 MEMORY USAGE 命令（Redis 4.0+），这个命令会返回键值对占用的内存空间。

3、借助开源工具分析 RDB 文件。

通过分析 RDB 文件来找出 big key。这种方案的前提是你的 Redis 采用的是 RDB 持久化。

网上有现成的代码/工具可以直接拿来使用：

• redis-rdb-tools ：Python 语言写的用来分析 Redis 的 RDB 快照文件用的工具
• rdb_bigkeys : Go 语言写的用来分析 Redis 的 RDB 快照文件用的工具，性能更好。

4、借助公有云的 Redis 分析服务。

如果你用的是公有云的 Redis 服务的话，可以看看其是否提供了 key 分析功能（一般都提供了）。

这里以阿里云 Redis 为例说明，它支持 bigkey 实时分析、发现，文档地址： https://www.alibabacloud.com/help/zh/apsaradb-for-redis/latest/use-the-real-time-key-statistics-feature 。

如何处理 bigkey？

bigkey 的常见处理以及优化办法如下（这些方法可以配合起来使用）：

• 分割 bigkey：将一个 bigkey 分割为多个小 key。例如，将一个含有上万字段数量的 Hash 按照一定策略（比如二次哈希）拆分为多个 Hash。
• 手动清理：Redis 4.0+ 可以使用 UNLINK 命令来异步删除一个或多个指定的 key。Redis 4.0 以下可以考虑使用 SCAN 命令结合 DEL 命令来分批次删除。
• 采用合适的数据结构：例如，文件二进制数据不使用 String 保存、使用 HyperLogLog 统计页面 UV、Bitmap 保存状态信息（0/1）。
• 开启 lazy-free（惰性删除/延迟释放） ：lazy-free 特性是 Redis 4.0 开始引入的，指的是让 Redis 采用异步方式延迟释放 key 使用的内存，将该操作交给单独的子线程处理，避免阻塞主线程。

Redis hotkey（热 Key）

什么是 hotkey？

如果一个 key 的访问次数比较多且明显多于其他 key 的话，那这个 key 就可以看作是 hotkey（热 Key）。例如在 Redis 实例的每秒处理请求达到 5000 次，而其中某个 key 的每秒访问量就高达 2000 次，那这个 key 就可以看作是 hotkey。

hotkey 出现的原因主要是某个热点数据访问量暴增，如重大的热搜事件、参与秒杀的商品。

hotkey 有什么危害？

处理 hotkey 会占用大量的 CPU 和带宽，可能会影响 Redis 实例对其他请求的正常处理。此外，如果突然访问 hotkey 的请求超出了 Redis 的处理能力，Redis 就会直接宕机。这种情况下，大量请求将落到后面的数据库上，可能会导致数据库崩溃。

因此，hotkey 很可能成为系统性能的瓶颈点，需要单独对其进行优化，以确保系统的高可用性和稳定性。

如何发现 hotkey？

1、使用 Redis 自带的 --hotkeys 参数来查找。

Redis 4.0.3 版本中新增了 hotkeys 参数，该参数能够返回所有 key 的被访问次数。

使用该方案的前提条件是 Redis Server 的 maxmemory-policy 参数设置为 LFU 算法，不然就会出现如下所示的错误。

# redis-cli -p 6379 --hotkeys

# Scanning the entire keyspace to find hot keys as well as
# average sizes per key type.  You can use -i 0.1 to sleep 0.1 sec
# per 100 SCAN commands (not usually needed).

Error: ERR An LFU maxmemory policy is not selected, access frequency not tracked. Please note that when switching between policies at runtime LRU and LFU data will take some time to adjust.

Redis 中有两种 LFU 算法：

1. volatile-lfu（least frequently used）：从已设置过期时间的数据集（ server.db[i].expires ）中挑选最不经常使用的数据淘汰。
2. allkeys-lfu（least frequently used）：当内存不足以容纳新写入数据时，在键空间中，移除最不经常使用的 key。

以下是配置文件 redis.conf 中的示例：

# 使用 volatile-lfu 策略
maxmemory-policy volatile-lfu

# 或者使用 allkeys-lfu 策略
maxmemory-policy allkeys-lfu

需要注意的是， hotkeys 参数命令也会增加 Redis 实例的 CPU 和内存消耗（全局扫描），因此需要谨慎使用。

2、使用 MONITOR 命令。

MONITOR 命令是 Redis 提供的一种实时查看 Redis 的所有操作的方式，可以用于临时监控 Redis 实例的操作情况，包括读写、删除等操作。

由于该命令对 Redis 性能的影响比较大，因此禁止长时间开启 MONITOR （生产环境中建议谨慎使用该命令）。

# redis-cli
127.0.0.1:6379> MONITOR
OK
1683638260.637378 [0 172.17.0.1:61516] "ping"
1683638267.144236 [0 172.17.0.1:61518] "smembers" "mySet"
1683638268.941863 [0 172.17.0.1:61518] "smembers" "mySet"
1683638269.551671 [0 172.17.0.1:61518] "smembers" "mySet"
1683638270.646256 [0 172.17.0.1:61516] "ping"
1683638270.849551 [0 172.17.0.1:61518] "smembers" "mySet"
1683638271.926945 [0 172.17.0.1:61518] "smembers" "mySet"
1683638274.276599 [0 172.17.0.1:61518] "smembers" "mySet2"
1683638276.327234 [0 172.17.0.1:61518] "smembers" "mySet"

在发生紧急情况时，我们可以选择在合适的时机短暂执行 MONITOR 命令并将输出重定向至文件，在关闭 MONITOR 命令后通过对文件中请求进行归类分析即可找出这段时间中的 hotkey。

3、借助开源项目。

京东零售的 hotkey 这个项目不光支持 hotkey 的发现，还支持 hotkey 的处理。

4、根据业务情况提前预估。

可以根据业务情况来预估一些 hotkey，比如参与秒杀活动的商品数据等。不过，我们无法预估所有 hotkey 的出现，比如突发的热点新闻事件等。

5、业务代码中记录分析。

在业务代码中添加相应的逻辑对 key 的访问情况进行记录分析。不过，这种方式会让业务代码的复杂性增加，一般也不会采用。

6、借助公有云的 Redis 分析服务。

如果你用的是公有云的 Redis 服务的话，可以看看其是否提供了 key 分析功能（一般都提供了）。

这里以阿里云 Redis 为例说明，它支持 hotkey 实时分析、发现，文档地址： https://www.alibabacloud.com/help/zh/apsaradb-for-redis/latest/use-the-real-time-key-statistics-feature 。

如何解决 hotkey？

hotkey 的常见处理以及优化办法如下（这些方法可以配合起来使用）：

• 读写分离：主节点处理写请求，从节点处理读请求。
• 使用 Redis Cluster：将热点数据分散存储在多个 Redis 节点上。
• 二级缓存：hotkey 采用二级缓存的方式进行处理，将 hotkey 存放一份到 JVM 本地内存中（可以用 Caffeine）。

除了这些方法之外，如果你使用的公有云的 Redis 服务话，还可以留意其提供的开箱即用的解决方案。

这里以阿里云 Redis 为例说明，它支持通过代理查询缓存功能（Proxy Query Cache）优化热点 Key 问题。

慢查询命令

为什么会有慢查询命令？

我们知道一个 Redis 命令的执行可以简化为以下 4 步：

1. 发送命令
2. 命令排队
3. 命令执行
4. 返回结果

Redis 慢查询统计的是命令执行这一步骤的耗时，慢查询命令也就是那些命令执行时间较长的命令。

Redis 为什么会有慢查询命令呢？

Redis 中的大部分命令都是 O(1) 时间复杂度，但也有少部分 O(n) 时间复杂度的命令，例如：

• KEYS * ：会返回所有符合规则的 key。
• HGETALL ：会返回一个 Hash 中所有的键值对。
• LRANGE ：会返回 List 中指定范围内的元素。
• SMEMBERS ：返回 Set 中的所有元素。
• SINTER / SUNION / SDIFF ：计算多个 Set 的交集/并集/差集。
• ……

由于这些命令时间复杂度是 O(n)，有时候也会全表扫描，随着 n 的增大，执行耗时也会越长。不过， 这些命令并不是一定不能使用，但是需要明确 N 的值。另外，有遍历的需求可以使用 HSCAN 、 SSCAN 、 ZSCAN 代替。

除了这些 O(n) 时间复杂度的命令可能会导致慢查询之外， 还有一些时间复杂度可能在 O(N) 以上的命令，例如：

• ZRANGE / ZREVRANGE ：返回指定 Sorted Set 中指定排名范围内的所有元素。时间复杂度为 O(log(n)+m)，n 为所有元素的数量， m 为返回的元素数量，当 m 和 n 相当大时，O(n) 的时间复杂度更小。
• ZREMRANGEBYRANK / ZREMRANGEBYSCORE ：移除 Sorted Set 中指定排名范围/指定 score 范围内的所有元素。时间复杂度为 O(log(n)+m)，n 为所有元素的数量， m 被删除元素的数量，当 m 和 n 相当大时，O(n) 的时间复杂度更小。
• ……

如何找到慢查询命令？

在 redis.conf 文件中，我们可以使用 slowlog-log-slower-than 参数设置耗时命令的阈值，并使用 slowlog-max-len 参数设置耗时命令的最大记录条数。

当 Redis 服务器检测到执行时间超过 slowlog-log-slower-than 阈值的命令时，就会将该命令记录在慢查询日志(slow log) 中，这点和 MySQL 记录慢查询语句类似。当慢查询日志超过设定的最大记录条数之后，Redis 会把最早的执行命令依次舍弃。

⚠️注意：由于慢查询日志会占用一定内存空间，如果设置最大记录条数过大，可能会导致内存占用过高的问题。

slowlog-log-slower-than 和 slowlog-max-len 的默认配置如下（可以自行修改)：

# The following time is expressed in microseconds, so 1000000 is equivalent
# to one second. Note that a negative number disables the slow log, while
# a value of zero forces the logging of every command.
slowlog-log-slower-than 10000

# There is no limit to this length. Just be aware that it will consume memory.
# You can reclaim memory used by the slow log with SLOWLOG RESET.
slowlog-max-len 128

除了修改配置文件之外，你也可以直接通过 CONFIG 命令直接设置：

# 命令执行耗时超过 10000 微妙（即 10 毫秒）就会被记录
CONFIG SET slowlog-log-slower-than 10000
# 只保留最近 128 条耗时命令
CONFIG SET slowlog-max-len 128

获取慢查询日志的内容很简单，直接使用 SLOWLOG GET 命令即可。

127.0.0.1:6379> SLOWLOG GET #慢日志查询
 1) 1) (integer) 5
   2) (integer) 1684326682
   3) (integer) 12000
   4) 1) "KEYS"
    2) "*"
   5) "172.17.0.1:61152"
   6) ""
  // ...

慢查询日志中的每个条目都由以下六个值组成：

1. 唯一渐进的日志标识符。
2. 处理记录命令的 Unix 时间戳。
3. 执行所需的时间量，以微秒为单位。
4. 组成命令参数的数组。
5. 客户端 IP 地址和端口。
6. 客户端名称。

SLOWLOG GET 命令默认返回最近 10 条的的慢查询命令，你也自己可以指定返回的慢查询命令的数量 SLOWLOG GET N 。

下面是其他比较常用的慢查询相关的命令：

# 返回慢查询命令的数量
127.0.0.1:6379> SLOWLOG LEN
(integer) 128
# 清空慢查询命令
127.0.0.1:6379> SLOWLOG RESET
OK

Redis 内存碎片

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