Redis时延问题分析及应对

Posted 2020-10-14

Redis时延问题分析及应对

Redis的事件循环在一个线程中处理，作为一个单线程程序，重要的是要保证事件处理的时延短，这样，事件循环中的后续任务才不会阻塞； 
当redis的数据量达到一定级别后（比如20G），阻塞操作对性能的影响尤为严重； 
下面我们总结下在redis中有哪些耗时的场景及应对方法；

耗时长的命令造成阻塞

keys、sort等命令

keys命令用于查找所有符合给定模式 pattern 的 key，时间复杂度为O(N)， N 为数据库中 key 的数量。当数据库中的个数达到千万时，这个命令会造成读写线程阻塞数秒； 
类似的命令有sunion sort等操作； 
如果业务需求中一定要使用keys、sort等操作怎么办？

解决方案： 

在架构设计中，有“分流”一招，说的是将处理快的请求和处理慢的请求分离来开，否则，慢的影响到了快的，让快的也快不起来；这在redis的设计中体现的非常明显，redis的纯内存操作，epoll非阻塞IO事件处理，这些快的放在一个线程中搞定，而持久化，AOF重写、Master-slave同步数据这些耗时的操作就单开一个进程来处理，不要慢的影响到快的； 
同样，既然需要使用keys这些耗时的操作，那么我们就将它们剥离出去，比如单开一个redis slave结点，专门用于keys、sort等耗时的操作，这些查询一般不会是线上的实时业务，查询慢点就慢点，主要是能完成任务，而对于线上的耗时快的任务没有影响；

smembers命令

smembers命令用于获取集合全集，时间复杂度为O(N),N为集合中的数量； 
如果一个集合中保存了千万量级的数据，一次取回也会造成事件处理线程的长时间阻塞；

解决方案： 
和sort，keys等命令不一样，smembers可能是线上实时应用场景中使用频率非常高的一个命令，这里分流一招并不适合，我们更多的需要从设计层面来考虑； 
在设计时，我们可以控制集合的数量，将集合数一般保持在500个以内； 
比如原来使用一个键来存储一年的记录，数据量大，我们可以使用12个键来分别保存12个月的记录，或者365个键来保存每一天的记录，将集合的规模控制在可接受的范围；

如果不容易将集合划分为多个子集合，而坚持用一个大集合来存储，那么在取集合的时候可以考虑使用SRANDMEMBER key [count]；随机返回集合中的指定数量，当然，如果要遍历集合中的所有元素，这个命令就不适合了；

save命令

save命令使用事件处理线程进行数据的持久化；当数据量大的时候，会造成线程长时间阻塞（我们的生产上，reids内存中1个G保存需要12s左右），整个redis被block； 
save阻塞了事件处理的线程，我们甚至无法使用redis-cli查看当前的系统状态，造成“何时保存结束，目前保存了多少”这样的信息都无从得知；

解决方案： 
我没有想到需要用到save命令的场景，任何时候需要持久化的时候使用bgsave都是合理的选择（当然，这个命令也会带来问题，后面聊到）；

fork产生的阻塞

在redis需要执行耗时的操作时，会新建一个进程来做，比如数据持久化bgsave： 
开启RDB持久化后，当达到持久化的阈值，redis会fork一个新的进程来做持久化，采用了操作系统的copy-on-wirte写时复制策略，子进程与父进程共享Page。如果父进程的Page（每页4K）有修改，父进程自己创建那个Page的副本，不会影响到子进程； 
fork新进程时，虽然可共享的数据内容不需要复制，但会复制之前进程空间的内存页表，如果内存空间有40G（考虑每个页表条目消耗 8 个字节），那么页表大小就有80M，这个复制是需要时间的，如果使用虚拟机，特别是Xen虚拟服务器，耗时会更长； 
在我们有的服务器结点上测试，35G的数据bgsave瞬间会阻塞200ms以上；

类似的，以下这些操作都有进程fork；

• Master向slave首次同步数据：当master结点收到slave结点来的syn同步请求，会生成一个新的进程，将内存数据dump到文件上，然后再同步到slave结点中；

• AOF日志重写：使用AOF持久化方式，做AOF文件重写操作会创建新的进程做重写；（重写并不会去读已有的文件，而是直接使用内存中的数据写成归档日志）；

解决方案： 
为了应对大内存页表复制时带来的影响，有些可用的措施：

1. 控制每个redis实例的最大内存量； 
   不让fork带来的限制太多，可以从内存量上控制fork的时延； 
   一般建议不超过20G，可根据自己服务器的性能来确定（内存越大，持久化的时间越长，复制页表的时间越长，对事件循环的阻塞就延长） 
   新浪微博给的建议是不超过20G，而我们虚机上的测试，要想保证应用毛刺不明显，可能得在10G以下；

2. 使用大内存页，默认内存页使用4KB，这样，当使用40G的内存时，页表就有80M；而将每个内存页扩大到4M，页表就只有80K；这样复制页表几乎没有阻塞，同时也会提高快速页表缓冲TLB（translation lookaside buffer）的命中率；但大内存页也有问题，在写时复制时，只要一个页快中任何一个元素被修改，这个页块都需要复制一份（COW机制的粒度是页面），这样在写时复制期间，会耗用更多的内存空间；

3. 使用物理机； 
   如果有的选，物理机当然是最佳方案，比上面都要省事; 
   当然，虚拟化实现也有多种，除了Xen系统外，现代的硬件大部分都可以快速的复制页表； 
   但公司的虚拟化一般是成套上线的，不会因为我们个别服务器的原因而变更，如果面对的只有Xen，只能想想如何用好它；

4. 杜绝新进程的产生，不使用持久化，不在主结点上提供查询；实现起来有以下方案： 
   1） 只用单机，不开持久化，不挂slave结点。这样最简单，不会有新进程的产生；但这样的方案只适合缓存； 
   如何来做这个方案的高可用？ 
   要做高可用，可以在写redis的前端挂上一个消息队列，在消息队列中使用pub-sub来做分发，保证每个写操作至少落到2个结点上；因为所有结点的数据相同，只需要用一个结点做持久化，这个结点对外不提供查询； 
   
    
   
   2） master-slave：在主结点上开持久化，主结点不对外提供查询，查询由slave结点提供，从结点不提供持久化；这样，所有的fork耗时的操作都在主结点上，而查询请求由slave结点提供； 
   这个方案的问题是主结点坏了之后如何处理？ 
   简单的实现方案是主不具有可替代性，坏了之后，redis集群对外就只能提供读，而无法更新；待主结点启动后，再继续更新操作；对于之前的更新操作，可以用MQ缓存起来，等主结点起来之后消化掉故障期间的写请求； 
   
    
   
   如果使用官方的Sentinel将从升级为主，整体实现就相对复杂了；需要更改可用从的ip配置，将其从可查询结点中剔除，让前端的查询负载不再落在新主上；然后，才能放开sentinel的切换操作，这个前后关系需要保证；

持久化造成的阻塞

执行持久化（AOF / RDB snapshot)对系统性能有较大影响，特别是服务器结点上还有其它读写磁盘的操作时（比如，应用服务和redis服务部署在相同结点上，应用服务实时记录进出报日志）；应尽可能避免在IO已经繁重的结点上开Redis持久化；

子进程持久化时，子进程的write和主进程的fsync冲突造成阻塞

在开启了AOF持久化的结点上，当子进程执行AOF重写或者RDB持久化时，出现了Redis查询卡顿甚至长时间阻塞的问题, 此时, Redis无法提供任何读写操作；

原因分析： 
Redis 服务设置了 appendfsync everysec, 主进程每秒钟便会调用 fsync(), 要求内核将数据”确实”写到存储硬件里. 但由于服务器正在进行大量IO操作, 导致主进程 fsync()/操作被阻塞, 最终导致 Redis 主进程阻塞.

redis.conf中是这么说的： 
When the AOF fsync policy is set to always or everysec, and a background 
saving process (a background save or AOF log background rewriting) is 
performing a lot of I/O against the disk, in some Linux configurations 
Redis may block too long on the fsync() call. Note that there is no fix for 
this currently, as even performing fsync in a different thread will block 
our synchronous write(2) call. 
当执行AOF重写时会有大量IO，这在某些Linux配置下会造成主进程fsync阻塞；

解决方案： 
设置 no-appendfsync-on-rewrite yes, 在子进程执行AOF重写时, 主进程不调用fsync()操作；注意, 即使进程不调用 fsync(), 系统内核也会根据自己的算法在适当的时机将数据写到硬盘(Linux 默认最长不超过 30 秒). 
这个设置带来的问题是当出现故障时，最长可能丢失超过30秒的数据，而不再是1秒；

子进程AOF重写时，系统的sync造成主进程的write阻塞

我们来梳理下： 
1) 起因：有大量IO操作write(2) 但未主动调用同步操作 
2) 造成kernel buffer中有大量脏数据 
3) 系统同步时，sync的同步时间过长 
4) 造成redis的写aof日志write(2)操作阻塞； 
5) 造成单线程的redis的下一个事件无法处理，整个redis阻塞（redis的事件处理是在一个线程中进行，其中写aof日志的write(2)是同步阻塞模式调用，与网络的非阻塞write(2)要区分开来）

产生1)的原因：这是redis2.6.12之前的问题，AOF rewrite时一直埋头的调用write(2)，由系统自己去触发sync。 
另外的原因：系统IO繁忙，比如有别的应用在写盘；

解决方案： 
控制系统sync调用的时间；需要同步的数据多时，耗时就长；缩小这个耗时，控制每次同步的数据量；通过配置按比例(vm.dirty_background_ratio)或按值(vm.dirty_bytes)设置sync的调用阈值；（一般设置为32M同步一次） 
2.6.12以后，AOF rewrite 32M时会主动调用fdatasync；

另外，Redis当发现当前正在写的文件有在执行fdatasync(2)时，就先不调用write(2)，只存在cache里，免得被block。但如果已经超过两秒都还是这个样子，则会强行执行write(2)，即使redis会被block住。

AOF重写完成后合并数据时造成的阻塞

在bgrewriteaof过程中，所有新来的写入请求依然会被写入旧的AOF文件，同时放到AOF buffer中，当rewrite完成后，会在主线程把这部分内容合并到临时文件中之后才rename成新的AOF文件，所以rewrite过程中会不断打印"Background AOF buffer size: 80 MB， Background AOF buffer size: 180 MB"，要监控这部分的日志。这个合并的过程是阻塞的，如果产生了280MB的buffer，在100MB/s的传统硬盘上，Redis就要阻塞2.8秒；

解决方案： 
将硬盘设置的足够大，将AOF重写的阈值调高，保证高峰期间不会触发重写操作；在闲时使用crontab 调用AOF重写命令；

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