# Redis 大 Key 对持久化有什么影响?

大家好,我是小林。

上周有位读者字节一二面时,被问到:Redis 的大 Key 对持久化有什么影响?

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Redis 的持久化方式有两种:AOF 日志和 RDB 快照。

所以接下来,针对这两种持久化方式具体分析分析。

# 大 Key 对 AOF 日志的影响

先说说 AOF 日志三种写回磁盘的策略

Redis 提供了 3 种 AOF 日志写回硬盘的策略,分别是:

  • Always,这个单词的意思是「总是」,所以它的意思是每次写操作命令执行完后,同步将 AOF 日志数据写回硬盘;
  • Everysec,这个单词的意思是「每秒」,所以它的意思是每次写操作命令执行完后,先将命令写入到 AOF 文件的内核缓冲区,然后每隔一秒将缓冲区里的内容写回到硬盘;
  • No,意味着不由 Redis 控制写回硬盘的时机,转交给操作系统控制写回的时机,也就是每次写操作命令执行完后,先将命令写入到 AOF 文件的内核缓冲区,再由操作系统决定何时将缓冲区内容写回硬盘。

这三种策略只是在控制 fsync() 函数的调用时机。

当应用程序向文件写入数据时,内核通常先将数据复制到内核缓冲区中,然后排入队列,然后由内核决定何时写入硬盘。

如果想要应用程序向文件写入数据后,能立马将数据同步到硬盘,就可以调用 fsync() 函数,这样内核就会将内核缓冲区的数据直接写入到硬盘,等到硬盘写操作完成后,该函数才会返回。

  • Always 策略就是每次写入 AOF 文件数据后,就执行 fsync() 函数;
  • Everysec 策略就会创建一个异步任务来执行 fsync() 函数;
  • No 策略就是永不执行 fsync() 函数;

分别说说这三种策略,在持久化大 Key 的时候,会影响什么?

在使用 Always 策略的时候,主线程在执行完命令后,会把数据写入到 AOF 日志文件,然后会调用 fsync() 函数,将内核缓冲区的数据直接写入到硬盘,等到硬盘写操作完成后,该函数才会返回。

当使用 Always 策略的时候,如果写入是一个大 Key,主线程在执行 fsync() 函数的时候,阻塞的时间会比较久,因为当写入的数据量很大的时候,数据同步到硬盘这个过程是很耗时的

当使用 Everysec 策略的时候,由于是异步执行 fsync() 函数,所以大 Key 持久化的过程(数据同步磁盘)不会影响主线程。

当使用 No 策略的时候,由于永不执行 fsync() 函数,所以大 Key 持久化的过程不会影响主线程。

# 大 Key 对 AOF 重写和 RDB 的影响

当 AOF 日志写入了很多的大 Key,AOF 日志文件的大小会很大,那么很快就会触发 AOF 重写机制

AOF 重写机制和 RDB 快照(bgsave 命令)的过程,都会分别通过 fork() 函数创建一个子进程来处理任务。

在创建子进程的过程中,操作系统会把父进程的「页表」复制一份给子进程,这个页表记录着虚拟地址和物理地址映射关系,而不会复制物理内存,也就是说,两者的虚拟空间不同,但其对应的物理空间是同一个。

这样一来,子进程就共享了父进程的物理内存数据了,这样能够节约物理内存资源,页表对应的页表项的属性会标记该物理内存的权限为只读

随着 Redis 存在越来越多的大 Key,那么 Redis 就会占用很多内存,对应的页表就会越大。

在通过 fork() 函数创建子进程的时候,虽然不会复制父进程的物理内存,但是内核会把父进程的页表复制一份给子进程,如果页表很大,那么这个复制过程是会很耗时的,那么在执行 fork 函数的时候就会发生阻塞现象

而且,fork 函数是由 Redis 主线程调用的,如果 fork 函数发生阻塞,那么意味着就会阻塞 Redis 主线程。由于 Redis 执行命令是在主线程处理的,所以当 Redis 主线程发生阻塞,就无法处理后续客户端发来的命令。

我们可以执行 info 命令获取到 latest_fork_usec 指标,表示 Redis 最近一次 fork 操作耗时。

# 最近一次 fork 操作耗时
latest_fork_usec:315

如果 fork 耗时很大,比如超过1秒,则需要做出优化调整:

  • 单个实例的内存占用控制在 10 GB 以下,这样 fork 函数就能很快返回。
  • 如果 Redis 只是当作纯缓存使用,不关心 Redis 数据安全性问题,可以考虑关闭 AOF 和 AOF 重写,这样就不会调用 fork 函数了。
  • 在主从架构中,要适当调大 repl-backlog-size,避免因为 repl_backlog_buffer 不够大,导致主节点频繁地使用全量同步的方式,全量同步的时候,是会创建 RDB 文件的,也就是会调用 fork 函数。

那什么时候会发生物理内存的复制呢?

当父进程或者子进程在向共享内存发起写操作时,CPU 就会触发缺页中断,这个缺页中断是由于违反权限导致的,然后操作系统会在「缺页异常处理函数」里进行物理内存的复制,并重新设置其内存映射关系,将父子进程的内存读写权限设置为可读写,最后才会对内存进行写操作,这个过程被称为「写时复制(Copy On Write)」。

写时复制顾名思义,在发生写操作的时候,操作系统才会去复制物理内存,这样是为了防止 fork 创建子进程时,由于物理内存数据的复制时间过长而导致父进程长时间阻塞的问题。

如果创建完子进程后,父进程对共享内存中的大 Key 进行了修改,那么内核就会发生写时复制,会把物理内存复制一份,由于大 Key 占用的物理内存是比较大的,那么在复制物理内存这一过程中,也是比较耗时的,于是父进程(主线程)就会发生阻塞

所以,有两个阶段会导致阻塞父进程:

  • 创建子进程的途中,由于要复制父进程的页表等数据结构,阻塞的时间跟页表的大小有关,页表越大,阻塞的时间也越长;
  • 创建完子进程后,如果子进程或者父进程修改了共享数据,就会发生写时复制,这期间会拷贝物理内存,如果内存越大,自然阻塞的时间也越长;

这里额外提一下, 如果 Linux 开启了内存大页,会影响 Redis 的性能的

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。

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,在发生写时复制后,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,每次写命令引起的复制内存页单位放大了 512 倍,会拖慢写操作的执行时间,最终导致 Redis 性能变慢

那该怎么办呢?很简单,关闭内存大页(默认是关闭的)。

禁用方法如下:

echo never >  /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/enabled

# 总结

当 AOF 写回策略配置了 Always 策略,如果写入是一个大 Key,主线程在执行 fsync() 函数的时候,阻塞的时间会比较久,因为当写入的数据量很大的时候,数据同步到硬盘这个过程是很耗时的。

AOF 重写机制和 RDB 快照(bgsave 命令)的过程,都会分别通过 fork() 函数创建一个子进程来处理任务。会有两个阶段会导致阻塞父进程(主线程):

  • 创建子进程的途中,由于要复制父进程的页表等数据结构,阻塞的时间跟页表的大小有关,页表越大,阻塞的时间也越长;
  • 创建完子进程后,如果父进程修改了共享数据中的大 Key,就会发生写时复制,这期间会拷贝物理内存,由于大 Key 占用的物理内存会很大,那么在复制物理内存这一过程,就会比较耗时,所以有可能会阻塞父进程。

大 key 除了会影响持久化之外,还会有以下的影响。

  • 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。

  • 引发网络阻塞。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。

  • 阻塞工作线程。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。

  • 内存分布不均。集群模型在 slot 分片均匀情况下,会出现数据和查询倾斜情况,部分有大 key 的 Redis 节点占用内存多,QPS 也会比较大。

如何避免大 Key 呢?

最好在设计阶段,就把大 key 拆分成一个一个小 key。或者,定时检查 Redis 是否存在大 key ,如果该大 key 是可以删除的,不要使用 DEL 命令删除,因为该命令删除过程会阻塞主线程,而是用 unlink 命令(Redis 4.0+)删除大 key,因为该命令的删除过程是异步的,不会阻塞主线程。

完!


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上次更新: 9/13/2022, 6:56:54 PM