最近的一些優(yōu)化和運(yùn)維項(xiàng)目中都有Redis，看樣子不論是互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的應(yīng)用還是傳統(tǒng)架構(gòu)的應(yīng)用，都已經(jīng)意識(shí)到了訪問頻繁，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單的熱數(shù)據(jù)使用合理的訪問方式是十分重要的。既然客戶有需求，我們就需要去深入的研究一下怎么把Redis用好，優(yōu)化好。做一個(gè)運(yùn)維對(duì)象的分析其實(shí)也是有套路的，并不一定都是需要從十年八年的積累中才可以獲得，特別是針對(duì)Redis這樣比較簡單的內(nèi)存數(shù)據(jù)庫。

一般來說，對(duì)于這類相對(duì)簡單的運(yùn)維對(duì)象，我們在學(xué)習(xí)和梳理其要點(diǎn)的時(shí)候會(huì)首先從管理類、配置類、技術(shù)類三方面去了解它。把這些東西搞清楚了，這個(gè)運(yùn)維對(duì)象的一些基本的運(yùn)維，管理，優(yōu)化就差不多了。當(dāng)然要做這些事情之前的，一個(gè)十分重要的工作就是理解這個(gè)運(yùn)維對(duì)象的架構(gòu)。我覺得理解一個(gè)運(yùn)維對(duì)象的架構(gòu)對(duì)于今后去運(yùn)維管理，做優(yōu)化都是十分關(guān)鍵的。我和很多使用Redis開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)的人聊過，他們大多數(shù)都沒有關(guān)注過Redis的架構(gòu)，反正給我變成接口，告訴我一些基本的操作，我就開干了，架構(gòu)啥的我不關(guān)注。事實(shí)上，一個(gè)想把Redis用好的程序員，也是需要去深入的理解Redis的架構(gòu)的。

Redis是一個(gè)輕量級(jí)的內(nèi)存緩沖組件，被廣泛的用作內(nèi)存數(shù)據(jù)庫、緩沖、消息代理、消息隊(duì)列等。Redis可以提供亞毫秒級(jí)的響應(yīng)時(shí)間，支持?jǐn)?shù)十萬甚至上百萬級(jí)別的并發(fā)訪問。不過很可能很多朋友都沒有關(guān)注到，Redis的核心從本質(zhì)上來說是單線程架構(gòu)的。

這是網(wǎng)上都可以找到的十分典型的Redis單實(shí)例架構(gòu)的邏輯架構(gòu)圖，是不是顯得太簡單了一點(diǎn)，不過事實(shí)上Redis就是這樣的，十分簡單。實(shí)際上大多數(shù)內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，哪怕是timesten這樣的內(nèi)存關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，都會(huì)和普通的磁盤庫在體系架構(gòu)上有巨大的不同，這是因?yàn)閮?nèi)存與磁盤訪問在延時(shí)上有成千上萬倍的不同。Redis作為一種內(nèi)存KV數(shù)據(jù)庫，更需要十分簡單的方式來充分利用內(nèi)存的低延時(shí)特性，提供高吞吐量的訪問。可能還是有朋友無法理解為什么Redis設(shè)計(jì)之初不設(shè)計(jì)成多線程架構(gòu)，讓Redis可以具有更高的吞吐能力。這個(gè)爭論早在5、6年前就有過了，最典型的是2014年在Quora上針對(duì)Redis架構(gòu)的爭論，我看過之后受益良多。其實(shí)在多線程架構(gòu)的數(shù)據(jù)庫中，鎖沖突是十分高開銷的爭用。相對(duì)于磁盤的IO延時(shí)來說，Enqueue的開銷可能還可以接受，而對(duì)于內(nèi)存的訪問速度來說，鎖爭用帶來的負(fù)面影響可能遠(yuǎn)超多線程帶來的好處。因此Redis在設(shè)計(jì)之初就選擇了無鎖的串行單線程訪問數(shù)據(jù)的架構(gòu)。甚至最初的Redis整體都是單線程架構(gòu)的。隨著Redis的發(fā)展，Redis也出現(xiàn)了一些多線程的特性，比如4.0開始，延遲大鍵的刪除操作，采用單獨(dú)的后臺(tái)進(jìn)程來處理，另外多線程也被用于一些較滿的IO操作。不管怎么發(fā)展Redis的核心數(shù)據(jù)訪問還是串行單線程，無鎖方式的訪問。這種單線程的架構(gòu)也讓應(yīng)用開發(fā)變得十分簡單，因?yàn)闊o需考慮鎖的問題，也不需要考慮回滾和提交。

這種單線程架構(gòu)決定了Redis是不怎么消耗CPU的，因此你無需為單個(gè)的Redis實(shí)例配置過多的CPU，一般來說，2-4顆邏輯CPU線程就完全足夠應(yīng)付任何場景的并發(fā)訪問了。

不過對(duì)于這種單線程架構(gòu)，命令是串行執(zhí)行的，因此平均每條命令執(zhí)行的時(shí)間長度決定了單個(gè)Redis實(shí)例的并發(fā)訪問量，比如我們一條命令平均延時(shí)為20ns，那么一秒鐘有1000000ns,執(zhí)行命令的總數(shù)理論上限是1000000/20=5萬。比如下面的這個(gè)例子：

從報(bào)告上可以看出，平均每秒可以執(zhí)行2萬多條命令，而這些命令的執(zhí)行中位數(shù)是35ns，算起來20106*35大概是0.7秒左右。

從單線程架構(gòu)上我們也可以看出，Redis的并發(fā)訪問是需要串行排隊(duì)的，因此相同的命令，其執(zhí)行時(shí)間是不穩(wěn)定的，如果前面排隊(duì)的命令比較多，那么排在前面的這條命令的總體執(zhí)行時(shí)間比排在隊(duì)伍后面的快十倍也是很正常的。因此對(duì)于Redis應(yīng)用的性能分析，不能看單次的執(zhí)行時(shí)間，更重要的是要看平均時(shí)間，中位數(shù)時(shí)間，90分位時(shí)間等指標(biāo)。如果你的應(yīng)用的中位數(shù)執(zhí)行時(shí)間超過100ns，或者99分位數(shù)執(zhí)行時(shí)間超過2毫秒，那么你的應(yīng)用的性能是不能接受的，這會(huì)大大影響整個(gè)Redis實(shí)例上的應(yīng)用的性能。如果說普通的數(shù)據(jù)庫某條SQL慢點(diǎn)可能影響面有限，對(duì)于單線程的Redis來說，某些特別慢的命令是不能接受的，必須進(jìn)行優(yōu)化或者進(jìn)行隔離，否則一顆老鼠屎可能會(huì)壞了一鍋湯。

從Redis的單線程架構(gòu)，也給我們的應(yīng)用的橫向擴(kuò)展能力提出了要求。剛才我們也計(jì)算過了，單一的Redis實(shí)例的最大并發(fā)量是有限的，我們能夠?qū)?yīng)用做的優(yōu)化也是有極限的。因此使用Redis的應(yīng)用，如果需要支撐較大的并發(fā)量的話，一定要能夠很方便的橫向擴(kuò)展的。我們可以通過Redis Cluster來做分片處理，通過多個(gè)Redis的集群來成倍的擴(kuò)充Redis服務(wù)的并發(fā)量。

從Redis的單線程架構(gòu)上來看，Redis數(shù)據(jù)庫是內(nèi)存敏感的，我們一定要確保Redis服務(wù)器的操作系統(tǒng)內(nèi)存的充足，Redis也提供了大了的監(jiān)控信息來幫我們分析內(nèi)存是否足夠。當(dāng)服務(wù)器內(nèi)存不足的時(shí)候，OOM KILLER要?dú)⒌目隙ㄊ荝edis服務(wù)，因此我們也要確保Redis服務(wù)不會(huì)成為首先被殺的對(duì)象。

mem_fragmentation_ratio是一個(gè)十分值得關(guān)注的指標(biāo)，這個(gè)指標(biāo)出現(xiàn)異常，會(huì)引發(fā)REDIS的性能問題。如果這個(gè)指標(biāo)超過1.5，說明Redis數(shù)據(jù)庫存在較大的碎片，碎片會(huì)引起內(nèi)存訪問性能問題，從而影響數(shù)據(jù)庫的總體性能。而如果這個(gè)指標(biāo)小于1，說明數(shù)據(jù)庫中有一部分內(nèi)存被放入swap了，這更會(huì)引發(fā)更大的Redis性能問題。我們這臺(tái)服務(wù)器上除了跑Redis外還有我們的一些其他的應(yīng)用，包括postresql數(shù)據(jù)庫、tomcat服務(wù)器等，最近總會(huì)出現(xiàn)內(nèi)存不足的情況，swap使用率經(jīng)常超過50%。可以看出，某些時(shí)段里，Redis出現(xiàn)了mem_fragmentation_ratio小于1的情況。如果你們的生產(chǎn)系統(tǒng)出現(xiàn)這種情況，那么給服務(wù)器或者虛擬機(jī)擴(kuò)內(nèi)存是十分必要的。

另外一點(diǎn)，從Redis是單線程的內(nèi)核態(tài)訪問為主的應(yīng)用，那么其CPU資源消耗上，應(yīng)該大部分的CPU都是可心態(tài)的訪問，因此對(duì)于一臺(tái)只是跑Redis數(shù)據(jù)庫的服務(wù)器來說，sys的cpu比例應(yīng)該很高。

在這個(gè)監(jiān)控指標(biāo)中，我們看出sys和user差不多，這是因?yàn)槲覀兊姆?wù)器上還有PG數(shù)據(jù)庫的原因。如果我們在自己的Redis服務(wù)器上發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象，那么就需要分析一下到底哪些非Redis實(shí)例在消耗CPU資源了。

原本今天早上準(zhǔn)備用半小時(shí)寫篇小文，于是考慮寫寫比較簡單的Redis，沒想打一下子就到9點(diǎn)了，馬上有很多事要做，先到此打住吧。哪怕是這么簡單的單線程的Redis，寫了半天好像剛剛開了個(gè)頭。IT基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)維確實(shí)還是挺費(fèi)勁的。

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