redis内存空间效率问题的深入探究

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前言

在使用redis时，我们会遇到一个问题，数据删除后，数据量已经不大了，但是使用top命令查看，还会发现redis占用了很对内存。实际上，因为数据删除后，redis释放内存由内存分配器管理，不会立刻返回给操作系统。所以，操作系统仍然记录着给redis分配了大量的内存

这往往会伴随一个潜在的风险点：Redis 释放的内存空间可能并不是连续的，那么，这些不连续的内存空间很有可能处于一种闲置的状态。这就会导致一个问题：虽然有空闲空间，Redis 却无法用来保存数据，不仅会减少 Redis 能够实际保存的数据量，还会降低 Redis 运行机器的成本回报率。

什么是内存碎片

通常情况下，内存空间利用率低，往往是因为操作系统发生了比较严重的内存碎片，那么什么是内存碎片呢？可以将内存看成是高铁上的作为，连续的空间相当于连座，内存碎片可以看成一个个零散的作为，如果你是3个人出行，火车上没有三个座位连着的，那么你就没法买到合适的作为，可能需要换一辆车

内存类似，如果需要申请一个N字节的连续空间，但是没有这么大的连续空间，那么，这些剩余空间就是内存碎片，redis内存碎片是什么原因导致的呢，了解了原因才有可能比较好的解决

内存碎片形成的原因

一般来说内存碎片形成的原因有两个，内因是操作系统的内存分配机制，外因是redis的负载特征

内因：内存分配器策略

内存分配器的分配策略就决定了操作系统无法做到“按需分配”。这是因为，内存分配器一般是按固定大小来分配内存，而不是完全按照应用程序申请的内存空间大小给程序分配。

Redis 可以使用 libc、jemalloc、tcmalloc 多种内存分配器来分配内存，默认使用 jemalloc。接下来，我就以 jemalloc 为例，来具体解释一下。其他分配器也存在类似的问题。

jemalloc 的分配策略之一，是按照一系列固定的大小划分内存空间，例如 8 字节、16 字节、32 字节、48 字节，…, 2KB、4KB、8KB 等。当程序申请的内存最接近某个固定值时，jemalloc 会给它分配相应大小的空间。

外因：键值对大小不一样和删改操作

redis通常作为公共缓存和键值数据库对外提供服务，所以对于不同大小的数据，redis申请内存空间大小不一，这是一个外因。

因为内存分配是按照固定大小分配，所以内存空间一般都会比申请的空间大一些，所以本身就会有一些内存碎片，降低内存空间存储效率。

第二个外因是，这些数据会被删除和修改，会导致空间空间扩充和释放，具体来说，一方面，如果修改后的键值对变大或变小了，就需要占用额外的空间或者释放不用的空间。另一方面，删除的键值对就不再需要内存空间了，此时，就会把空间释放出来，形成空闲空间

一开始，应用 A、B、C、D 分别保存了 3、1、2、4 字节的数据，并占据了相应的内存空间。然后，应用 D 删除了 1 个字节，这个 1 字节的内存空间就空出来了。紧接着，应用 A 修改了数据，从 3 字节变成了 4 字节。为了保持 A 数据的空间连续性，操作系统就需要把 B 的数据拷贝到别的空间，比如拷贝到 D 刚刚释放的空间中。此时，应用 C 和 D 也分别删除了 2 字节和 1 字节的数据，整个内存空间上就分别出现了 2 字节和 1 字节的空闲碎片。如果应用 E 想要一个 3 字节的连续空间，显然是不能得到满足的。因为，虽然空间总量够，但却是碎片空间，并不是连续的。

好了，到这里，我们就知道了造成内存碎片的内外因素，其中，内存分配器策略是内因，而 Redis 的负载属于外因，包括了大小不一的键值对和键值对修改删除带来的内存空间变化。

如何判断是否有内存碎片

Redis 是内存数据库，内存利用率的高低直接关系到 Redis 运行效率的高低。为了让用户能监控到实时的内存使用情况，Redis 自身提供了 INFO 命令，可以用来查询内存使用的详细信息，命令如下：

INFO memory
# Memory
used_memory:1073741736
used_memory_human:1024.00M
used_memory_rss:1997159792
used_memory_rss_human:1.86G
…
mem_fragmentation_ratio:1.86O memory

INFO memory
# Memory
used_memory:1073741736
used_memory_human:1024.00M
used_memory_rss:1997159792
used_memory_rss_human:1.86G
…
mem_fragmentation_ratio:1.86

这里有一个 mem_fragmentation_ratio 的指标，它表示的就是 Redis 当前的内存碎片率。那么，这个碎片率是怎么计算的呢？其实，就是上面的命令中的两个指标 used_memory_rss 和 used_memory 相除的结果。

mem_fragmentation_ratio = used_memory_rss/ used_memory

used_memory_rss 是操作系统实际分配给 Redis 的物理内存空间，里面就包含了碎片；而 used_memory 是 Redis 为了保存数据实际申请使用的空间。

我简单举个例子。例如，Redis 申请使用了 100 字节（used_memory），操作系统实际分配了 128 字节（used_memory_rss），此时，mem_fragmentation_ratio 就是 1.28。

那么，知道了这个指标，我们该如何使用呢？在这儿，我提供一些经验阈值：

mem_fragmentation_ratio大于1小于1.5。这种情况是合理的。这是因为，刚才我介绍的那些因素是难以避免的。毕竟，内因的内存分配器是一定要使用的，分配策略都是通用的，不会轻易修改；而外因由 Redis 负载决定，也无法限制。所以，存在内存碎片也是正常的。
mem_fragmentation_ratio大于1.5。这表明内存碎片率已经超过了 50%。一般情况下，这个时候，我们就需要采取一些措施来降低内存碎片率了。

如何清理内存碎片

当 Redis 发生内存碎片后，一个“简单粗暴”的方法就是重启redis实例，当然这并不是一个优雅的方法，重启会带来一些问题

如果数据没有持久化，那么数据会丢失
如果数据持久化了，我们需要通过AOF或RDB进行恢复，恢复时长取决于AOF或RDB的大小，如果只有一个实例，在恢复阶段无法提供服务。

幸运的是，从 4.0-RC3 版本以后，Redis 自身提供了一种内存碎片自动清理的方法，我们先来看这个方法的基本机制。还是通过一张图来看下

在进行碎片清理前，这段 10 字节的空间中分别有 1 个 2 字节和 1 个 1 字节的空闲空间，只是这两个空间并不连续。操作系统在清理碎片时，会先把应用 D 的数据拷贝到 2 字节的空闲空间中，并释放 D 原先所占的空间。然后，再把 B 的数据拷贝到 D 原来的空间中。这样一来，这段 10 字节空间的最后三个字节就是一块连续空间了。到这里，碎片清理结束。

需要注意：碎片清理事由代价的，操作系统需要把多份数据拷贝到新位置，把原有空间释放出来，这会带来时间开销。因为 Redis 是单线程，在数据拷贝时，Redis 只能等着，这就导致 Redis 无法及时处理请求，性能就会降低。而且，有的时候，数据拷贝还需要注意顺序，就像刚刚说的清理内存碎片的例子，操作系统需要先拷贝 D，并释放 D 的空间后，才能拷贝 B。这种对顺序性的要求，会进一步增加 Redis 的等待时间，导致性能降低。

那么，有什么办法可以尽量缓解这个问题吗？这就要提到，Redis 专门为自动内存碎片清理功机制设置的参数了。我们可以通过设置参数，来控制碎片清理的开始和结束时机，以及占用的 CPU 比例，从而减少碎片清理对 Redis 本身请求处理的性能影响。

首先，Redis 需要启用自动内存碎片清理，可以把 activedefrag 配置项设置为 yes，命令如下：

config set activedefrag yes

这个命令只是启用了自动清理功能，但是，具体什么时候清理，会受到下面这两个参数的控制。这两个参数分别设置了触发内存清理的一个条件，如果同时满足这两个条件，就开始清理。在清理的过程中，只要有一个条件不满足了，就停止自动清理。

active-defrag-ignore-bytes 100mb：表示内存碎片数量达到100MB时，开始清理
active-defrag-threshold-lower 10：表示内存碎片空间占操作系统给redis分配空间的10%时开始清理

为了尽可能减少碎片清理对 Redis 正常请求处理的影响，自动内存碎片清理功能在执行时，还会监控清理操作占用的 CPU 时间，而且还设置了两个参数，分别用于控制清理操作占用的 CPU 时间比例的上、下限，既保证清理工作能正常进行，又避免了降低 Redis 性能。这两个参数具体如下：

active-defrag-cycle-min 25：表示自动清理过程cpu时间笔记不低于25%，保证清理能正常开展
active-defrag-cycle-max 75：表示自动清理过程所用 CPU 时间的比例不高于 75%，一旦超过，就停止清理，从而避免在清理时，大量的内存拷贝阻塞 Redis，导致响应延迟升高。

自动内存碎片清理机制在控制碎片清理启停的时机上，既考虑了碎片的空间占比、对 Redis 内存使用效率的影响，还考虑了清理机制本身的 CPU 时间占比、对 Redis 性能的影响。而且，清理机制还提供了 4 个参数，让我们可以根据实际应用中的数据量需求和性能要求灵活使用，建议你在实践中好好地把这个机制用起来。