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19 | 波动的响应延迟：如何应对变慢的Redis？（下）
你好，我是蒋德钧。
上节课，我介绍了判断Redis变慢的两种方法，分别是响应延迟和基线性能。除此之外，我还给你分享了从Redis的自身命令操作层面排查和解决问题的两种方案。
但是，如果在排查时，你发现Redis没有执行大量的慢查询命令，也没有同时删除大量过期keys，那么，我们是不是就束手无策了呢？
当然不是！我还有很多“锦囊妙计”，准备在这节课分享给你呢！
如果上节课的方法不管用，那就说明，你要关注影响性能的其他机制了，也就是文件系统和操作系统。
Redis会持久化保存数据到磁盘，这个过程要依赖文件系统来完成，所以，文件系统将数据写回磁盘的机制，会直接影响到Redis持久化的效率。而且，在持久化的过程中，Redis也还在接收其他请求，持久化的效率高低又会影响到Redis处理请求的性能。
另一方面，Redis是内存数据库，内存操作非常频繁，所以，操作系统的内存机制会直接影响到Redis的处理效率。比如说，如果Redis的内存不够用了，操作系统会启动swap机制，这就会直接拖慢Redis。
那么，接下来，我再从这两个层面，继续给你介绍，如何进一步解决Redis变慢的问题。
文件系统：AOF模式
你可能会问，Redis是个内存数据库，为什么它的性能还和文件系统有关呢？
我在前面讲过，为了保证数据可靠性，Redis会采用AOF日志或RDB快照。其中，AOF日志提供了三种日志写回策略：no、everysec、always。这三种写回策略依赖文件系统的两个系统调用完成，也就是write和fsync。
write只要把日志记录写到内核缓冲区，就可以返回了，并不需要等待日志实际写回到磁盘；而fsync需要把日志记录写回到磁盘后才能返回，时间较长。下面这张表展示了三种写回策略所执行的系统调用。
当写回策略配置为everysec和always时，Redis需要调用fsync把日志写回磁盘。但是，这两种写回策略的具体执行情况还不太一样。
在使用everysec时，Redis允许丢失一秒的操作记录，所以，Redis主线程并不需要确保每个操作记录日志都写回磁盘。而且，fsync的执行时间很长，如果是在Redis主线程中执行fsync，就容易阻塞主线程。所以，当写回策略配置为everysec时，Redis会使用后台的子线程异步完成fsync的操作。
而对于always策略来说，Redis需要确保每个操作记录日志都写回磁盘，如果用后台子线程异步完成，主线程就无法及时地知道每个操作是否已经完成了，这就不符合always策略的要求了。所以，always策略并不使用后台子线程来执行。
另外，在使用AOF日志时，为了避免日志文件不断增大，Redis会执行AOF重写，生成体量缩小的新的AOF日志文件。AOF重写本身需要的时间很长，也容易阻塞Redis主线程，所以，Redis使用子进程来进行AOF重写。
但是，这里有一个潜在的风险点：AOF重写会对磁盘进行大量IO操作，同时，fsync又需要等到数据写到磁盘后才能返回，所以，当AOF重写的压力比较大时，就会导致fsync被阻塞。虽然fsync是由后台子线程负责执行的，但是，主线程会监控fsync的执行进度。
当主线程使用后台子线程执行了一次fsync，需要再次把新接收的操作记录写回磁盘时，如果主线程发现上一次的fsync还没有执行完，那么它就会阻塞。所以，如果后台子线程执行的fsync频繁阻塞的话（比如AOF重写占用了大量的磁盘IO带宽），主线程也会阻塞，导致Redis性能变慢。
为了帮助你理解，我再画一张图来展示下在磁盘压力小和压力大的时候，fsync后台子线程和主线程受到的影响。
好了，说到这里，你已经了解了，由于fsync后台子线程和AOF重写子进程的存在，主IO线程一般不会被阻塞。但是，如果在重写日志时，AOF重写子进程的写入量比较大，fsync线程也会被阻塞，进而阻塞主线程，导致延迟增加。现在，我来给出排查和解决建议。
首先，你可以检查下Redis配置文件中的appendfsync配置项，该配置项的取值表明了Redis实例使用的是哪种AOF日志写回策略，如下所示：
如果AOF写回策略使用了everysec或always配置，请先确认下业务方对数据可靠性的要求，明确是否需要每一秒或每一个操作都记日志。有的业务方不了解Redis AOF机制，很可能就直接使用数据可靠性最高等级的always配置了。其实，在有些场景中（例如Redis用于缓存），数据丢了还可以从后端数据库中获取，并不需要很高的数据可靠性。
如果业务应用对延迟非常敏感，但同时允许一定量的数据丢失，那么，可以把配置项no-appendfsync-on-rewrite设置为yes，如下所示：
no-appendfsync-on-rewrite yes
这个配置项设置为yes时，表示在AOF重写时，不进行fsync操作。也就是说，Redis实例把写命令写到内存后，不调用后台线程进行fsync操作，就可以直接返回了。当然，如果此时实例发生宕机，就会导致数据丢失。反之，如果这个配置项设置为no（也是默认配置），在AOF重写时，Redis实例仍然会调用后台线程进行fsync操作，这就会给实例带来阻塞。
如果的确需要高性能，同时也需要高可靠数据保证，我建议你考虑采用高速的固态硬盘作为AOF日志的写入设备。
高速固态盘的带宽和并发度比传统的机械硬盘的要高出10倍及以上。在AOF重写和fsync后台线程同时执行时，固态硬盘可以提供较为充足的磁盘IO资源，让AOF重写和fsync后台线程的磁盘IO资源竞争减少，从而降低对Redis的性能影响。
操作系统：swap
如果Redis的AOF日志配置只是no，或者就没有采用AOF模式，那么，还会有什么问题导致性能变慢吗？
接下来，我就再说一个潜在的瓶颈：操作系统的内存swap。
内存swap是操作系统里将内存数据在内存和磁盘间来回换入和换出的机制，涉及到磁盘的读写，所以，一旦触发swap，无论是被换入数据的进程，还是被换出数据的进程，其性能都会受到慢速磁盘读写的影响。
Redis是内存数据库，内存使用量大，如果没有控制好内存的使用量，或者和其他内存需求大的应用一起运行了，就可能受到swap的影响，而导致性能变慢。
这一点对于Redis内存数据库而言，显得更为重要：正常情况下，Redis的操作是直接通过访问内存就能完成，一旦swap被触发了，Redis的请求操作需要等到磁盘数据读写完成才行。而且，和我刚才说的AOF日志文件读写使用fsync线程不同，swap触发后影响的是Redis主IO线程，这会极大地增加Redis的响应时间。
说到这儿，我想给你分享一个我曾经遇到过的因为swap而导致性能降低的例子。
在正常情况下，我们运行的一个实例完成5000万个GET请求时需要300s，但是，有一次，这个实例完成5000万GET请求，花了将近4个小时的时间。经过问题复现，我们发现，当时Redis处理请求用了近4小时的情况下，该实例所在的机器已经发生了swap。从300s到4个小时，延迟增加了将近48倍，可以看到swap对性能造成的严重影响。
那么，什么时候会触发swap呢？
通常，触发swap的原因主要是物理机器内存不足，对于Redis而言，有两种常见的情况：
- Redis实例自身使用了大量的内存，导致物理机器的可用内存不足；
- 和Redis实例在同一台机器上运行的其他进程，在进行大量的文件读写操作。文件读写本身会占用系统内存，这会导致分配给Redis实例的内存量变少，进而触发Redis发生swap。
针对这个问题，我也给你提供一个解决思路：增加机器的内存或者使用Redis集群。
操作系统本身会在后台记录每个进程的swap使用情况，即有多少数据量发生了swap。你可以先通过下面的命令查看Redis的进程号，这里是5332。
$ redis-cli info | grep process_id
process_id: 5332
然后，进入Redis所在机器的/proc目录下的该进程目录中：
$ cd /proc/5332
最后，运行下面的命令，查看该Redis进程的使用情况。在这儿，我只截取了部分结果：
$cat smaps | egrep '^(Swap|Size)'
Size: 584 kB
Swap: 0 kB
Size: 4 kB
Swap: 4 kB
Size: 4 kB
Swap: 0 kB
Size: 462044 kB
Swap: 462008 kB
Size: 21392 kB
Swap: 0 kB
每一行Size表示的是Redis实例所用的一块内存大小，而Size下方的Swap和它相对应，表示这块Size大小的内存区域有多少已经被换出到磁盘上了。如果这两个值相等，就表示这块内存区域已经完全被换出到磁盘了。
作为内存数据库，Redis本身会使用很多大小不一的内存块，所以，你可以看到有很多Size行，有的很小，就是4KB，而有的很大，例如462044KB。不同内存块被换出到磁盘上的大小也不一样，例如刚刚的结果中的第一个4KB内存块，它下方的Swap也是4KB，这表示这个内存块已经被换出了；另外，462044KB这个内存块也被换出了462008KB，差不多有462MB。
这里有个重要的地方，我得提醒你一下，当出现百MB，甚至GB级别的swap大小时，就表明，此时，Redis实例的内存压力很大，很有可能会变慢。所以，swap的大小是排查Redis性能变慢是否由swap引起的重要指标。
一旦发生内存swap，最直接的解决方法就是增加机器内存。如果该实例在一个Redis切片集群中，可以增加Redis集群的实例个数，来分摊每个实例服务的数据量，进而减少每个实例所需的内存量。
当然，如果Redis实例和其他操作大量文件的程序（例如数据分析程序）共享机器，你可以将Redis实例迁移到单独的机器上运行，以满足它的内存需求量。如果该实例正好是Redis主从集群中的主库，而从库的内存很大，也可以考虑进行主从切换，把大内存的从库变成主库，由它来处理客户端请求。
操作系统：内存大页
除了内存swap，还有一个和内存相关的因素，即内存大页机制（Transparent Huge Page, THP），也会影响Redis性能。
Linux内核从2.6.38开始支持内存大页机制，该机制支持2MB大小的内存页分配，而常规的内存页分配是按4KB的粒度来执行的。
很多人都觉得：“Redis是内存数据库，内存大页不正好可以满足Redis的需求吗？而且在分配相同的内存量时，内存大页还能减少分配次数，不也是对Redis友好吗?”
其实，系统的设计通常是一个取舍过程，我们称之为trade-off。很多机制通常都是优势和劣势并存的。Redis使用内存大页就是一个典型的例子。
虽然内存大页可以给Redis带来内存分配方面的收益，但是，不要忘了，Redis为了提供数据可靠性保证，需要将数据做持久化保存。这个写入过程由额外的线程执行，所以，此时，Redis主线程仍然可以接收客户端写请求。客户端的写请求可能会修改正在进行持久化的数据。在这一过程中，Redis就会采用写时复制机制，也就是说，一旦有数据要被修改，Redis并不会直接修改内存中的数据，而是将这些数据拷贝一份，然后再进行修改。
如果采用了内存大页，那么，即使客户端请求只修改100B的数据，Redis也需要拷贝2MB的大页。相反，如果是常规内存页机制，只用拷贝4KB。两者相比，你可以看到，当客户端请求修改或新写入数据较多时，内存大页机制将导致大量的拷贝，这就会影响Redis正常的访存操作，最终导致性能变慢。
那该怎么办呢？很简单，关闭内存大页，就行了。
首先，我们要先排查下内存大页。方法是：在Redis实例运行的机器上执行如下命令:
cat /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/enabled
如果执行结果是always，就表明内存大页机制被启动了；如果是never，就表示，内存大页机制被禁止。
在实际生产环境中部署时，我建议你不要使用内存大页机制，操作也很简单，只需要执行下面的命令就可以了：
echo never /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/enabled
小结
这节课，我从文件系统和操作系统两个维度，给你介绍了应对Redis变慢的方法。
为了方便你应用，我给你梳理了一个包含9个检查点的Checklist，希望你在遇到Redis性能变慢时，按照这些步骤逐一检查，高效地解决问题。
- 获取Redis实例在当前环境下的基线性能。
- 是否用了慢查询命令？如果是的话，就使用其他命令替代慢查询命令，或者把聚合计算命令放在客户端做。
- 是否对过期key设置了相同的过期时间？对于批量删除的key，可以在每个key的过期时间上加一个随机数，避免同时删除。
- 是否存在bigkey？ 对于bigkey的删除操作，如果你的Redis是4.0及以上的版本，可以直接利用异步线程机制减少主线程阻塞；如果是Redis 4.0以前的版本，可以使用SCAN命令迭代删除；对于bigkey的集合查询和聚合操作，可以使用SCAN命令在客户端完成。
- Redis AOF配置级别是什么？业务层面是否的确需要这一可靠性级别？如果我们需要高性能，同时也允许数据丢失，可以将配置项no-appendfsync-on-rewrite设置为yes，避免AOF重写和fsync竞争磁盘IO资源，导致Redis延迟增加。当然， 如果既需要高性能又需要高可靠性，最好使用高速固态盘作为AOF日志的写入盘。
- Redis实例的内存使用是否过大？发生swap了吗？如果是的话，就增加机器内存，或者是使用Redis集群，分摊单机Redis的键值对数量和内存压力。同时，要避免出现Redis和其他内存需求大的应用共享机器的情况。
- 在Redis实例的运行环境中，是否启用了透明大页机制？如果是的话，直接关闭内存大页机制就行了。
- 是否运行了Redis主从集群？如果是的话，把主库实例的数据量大小控制在2~4GB，以免主从复制时，从库因加载大的RDB文件而阻塞。
- 是否使用了多核CPU或NUMA架构的机器运行Redis实例？使用多核CPU时，可以给Redis实例绑定物理核；使用NUMA架构时，注意把Redis实例和网络中断处理程序运行在同一个CPU Socket上。
实际上，影响系统性能的因素还有很多，这两节课给你讲的都是应对最常见问题的解决方案。
如果你遇到了一些特殊情况，也不要慌，我再给你分享一个小技巧：仔细检查下有没有恼人的“邻居”，具体点说，就是Redis所在的机器上有没有一些其他占内存、磁盘IO和网络IO的程序，比如说数据库程序或者数据采集程序。如果有的话，我建议你将这些程序迁移到其他机器上运行。
为了保证Redis高性能，我们需要给Redis充足的计算、内存和IO资源，给它提供一个“安静”的环境。
每课一问
这两节课，我向你介绍了系统性定位、排查和解决Redis变慢的方法。所以，我想请你聊一聊，你遇到过Redis变慢的情况吗？如果有的话，你是怎么解决的呢？
欢迎你在留言区分享一下自己的经验，如果觉得今天的内容对你有所帮助，也欢迎分享给你的朋友或同事，我们下节课见。