Day763.Redis数据倾斜问题 -Redis 核心技术与实战

Posted 2022-10-10 阿昌喜欢吃黄桃

Redis数据倾斜问题

Hi，我是阿昌，今天学习记录的是关于Redis数据倾斜问题的内容。

在切片集群中，数据会按照一定的分布规则分散到不同的实例上保存。

比如，在使用 Redis Cluster 或 Codis 时，数据都会先按照 CRC 算法的计算值对 Slot（逻辑槽）取模，同时，所有的 Slot 又会由运维管理员分配到不同的实例上。

这样，数据就被保存到相应的实例上了。虽然这种方法实现起来比较简单，但是很容易导致一个问题：数据倾斜。

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数据倾斜有两类:

• 数据量倾斜：在某些情况下，实例上的数据分布不均衡，某个实例上的数据特别多。
• 数据访问倾斜：虽然每个集群实例上的数据量相差不大，但是某个实例上的数据是热点数据，被访问得非常频繁。

如果发生了数据倾斜，那么保存了大量数据，或者是保存了热点数据的实例的处理压力就会增大，速度变慢，甚至还可能会引起这个实例的内存资源耗尽，从而崩溃。这是在应用切片集群时要避免的。

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一、数据量倾斜的成因和应对方法

首先，来看数据量倾斜的成因和应对方案。

当数据量倾斜发生时，数据在切片集群的多个实例上分布不均衡，大量数据集中到了一个或几个实例上，如下图所示：
那么，数据量倾斜是怎么产生的呢？

这主要有三个原因，分别是：

• 某个实例上保存了 bigkey
• Slot 分配不均衡
• Hash Tag

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1、bigkey 导致倾斜

第一个原因是，某个实例上正好保存了 bigkey。

bigkey 的 value 值很大（String 类型），或者是 bigkey 保存了大量集合元素（集合类型），会导致这个实例的数据量增加，内存资源消耗也相应增加。

而且，bigkey 的操作一般都会造成实例 IO 线程阻塞，如果 bigkey 的访问量比较大，就会影响到这个实例上的其它请求被处理的速度。其实，bigkey 已经是我们课程中反复提到的一个关键点了。

为了避免 bigkey 造成的数据倾斜，一个根本的应对方法是，我们在业务层生成数据时，要尽量避免把过多的数据保存在同一个键值对中。此外，如果 bigkey 正好是集合类型，还有一个方法，就是把 bigkey 拆分成很多个小的集合类型数据，分散保存在不同的实例上。

举个例子。假设 Hash 类型集合 user:info 保存了 100 万个用户的信息，是一个 bigkey。那么，我们就可以按照用户 ID 的范围，把这个集合拆分成 10 个小集合，每个小集合只保存 10 万个用户的信息（例如小集合 1 保存的是 ID 从 1 到 10 万的用户信息，小集合 2 保存的是 ID 从 10 万零 1 到 20 万的用户）。

这样一来，就可以把一个 bigkey 化整为零、分散保存了，避免了 bigkey 给单个切片实例带来的访问压力。

2、Slot 分配不均衡导致倾斜

第二个原因：Slot 分配不均衡。

如果集群运维人员没有均衡地分配 Slot，就会有大量的数据被分配到同一个 Slot 中，而同一个 Slot 只会在一个实例上分布，这就会导致，大量数据被集中到一个实例上，造成数据倾斜。

以 Redis Cluster 为例，来介绍下 Slot 分配不均衡的情况。Redis Cluster 一共有 16384 个 Slot，假设集群一共有 5 个实例，其中，实例 1 的硬件配置较高，运维人员在给实例分配 Slot 时，就可能会给实例 1 多分配些 Slot，把实例 1 的资源充分利用起来。

但是，其实并不知道数据和 Slot 的对应关系，这种做法就可能会导致大量数据正好被映射到实例 1 上的 Slot，造成数据倾斜，给实例 1 带来访问压力。为了应对这个问题，我们可以通过运维规范，在分配之前，我们就要避免把过多的 Slot 分配到同一个实例。如果是已经分配好 Slot 的集群，可以先查看 Slot 和实例的具体分配关系，从而判断是否有过多的 Slot 集中到了同一个实例。

如果有的话，就将部分 Slot 迁移到其它实例，从而避免数据倾斜。不同集群上查看 Slot 分配情况的方式不同：如果是 Redis Cluster，就用 CLUSTER SLOTS 命令；

如果是 Codis，就可以在 codis dashboard 上查看。比如说，执行 CLUSTER SLOTS 命令查看 Slot 分配情况。命令返回结果显示，Slot 0 到 Slot 4095 被分配到了实例 192.168.10.3 上，而 Slot 12288 到 Slot 16383 被分配到了实例 192.168.10.5 上。

127.0.0.1:6379> cluster slots
1) 1) (integer) 0
   2) (integer) 4095
   3) 1) "192.168.10.3"
      2) (integer) 6379
2) 1) (integer) 12288
   2) (integer) 16383
   3) 1) "192.168.10.5"
      2) (integer) 6379

如果某一个实例上有太多的 Slot，我们就可以使用迁移命令把这些 Slot 迁移到其它实例上。

在 Redis Cluster 中，可以使用 3 个命令完成 Slot 迁移。

1. CLUSTER SETSLOT：使用不同的选项进行三种设置，分别是设置 Slot 要迁入的目标实例，Slot 要迁出的源实例，以及 Slot 所属的实例。
2. CLUSTER GETKEYSINSLOT：获取某个 Slot 中一定数量的 key。
3. MIGRATE：把一个 key 从源实例实际迁移到目标实例。

一个例子，了解下这三个命令怎么用。

假设我们要把 Slot 300 从源实例（ID 为 3）迁移到目标实例（ID 为 5），那要怎么做呢？

实际上，可以分成 5 步。

• 第 1 步，我们先在目标实例 5 上执行下面的命令，将 Slot 300 的源实例设置为实例 3，表示要从实例 3 上迁入 Slot 300。

CLUSTER SETSLOT 300 IMPORTING 3

• 第 2 步，在源实例 3 上，我们把 Slot 300 的目标实例设置为 5，这表示，Slot 300 要迁出到实例 5 上，如下所示：

CLUSTER SETSLOT 300 MIGRATING 5

• 第 3 步，从 Slot 300 中获取 100 个 key。因为 Slot 中的 key 数量可能很多，所以我们需要在客户端上多次执行下面的这条命令，分批次获得并迁移 key。

CLUSTER GETKEYSINSLOT 300 100

• 第 4 步，我们把刚才获取的 100 个 key 中的 key1 迁移到目标实例 5 上（IP 为 192.168.10.5），同时把要迁入的数据库设置为 0 号数据库，把迁移的超时时间设置为 timeout。我们重复执行 MIGRATE 命令，把 100 个 key 都迁移完。

MIGRATE 192.168.10.5 6379 key1 0 timeout

• 最后，重复执行第 3 和第 4 步，直到 Slot 中的所有 key 都迁移完成。从 Redis 3.0.6 开始，你也可以使用 KEYS 选项，一次迁移多个 key（key1、2、3），这样可以提升迁移效率。

MIGRATE 192.168.10.5 6379 "" 0 timeout KEYS key1 key2 key3

对于 Codis 来说，我们可以执行下面的命令进行数据迁移。其中，我们把 dashboard 组件的连接地址设置为 ADDR，并且把 Slot 300 迁移到编号为 6 的 codis server group 上。

codis-admin --dashboard=ADDR -slot-action --create --sid=300 --gid=6

除了 bigkey 和 Slot 分配不均衡会导致数据量倾斜，还有一个导致倾斜的原因，就是使用了 Hash Tag 进行数据切片。

3、Hash Tag 导致倾斜

Hash Tag 是指加在键值对 key 中的一对花括号。

这对括号会把 key 的一部分括起来，客户端在计算 key 的 CRC16 值时，只对 Hash Tag 花括号中的 key 内容进行计算。

如果没用 Hash Tag 的话，客户端计算整个 key 的 CRC16 的值。

举个例子，假设 key 是 user:profile:3231，把其中的 3231 作为 Hash Tag，此时，key 就变成了 user:profile:3231。

当客户端计算这个 key 的 CRC16 值时，就只会计算 3231 的 CRC16 值。

否则，客户端会计算整个“user:profile:3231”的 CRC16 值。使用 Hash Tag 的好处是，如果不同 key 的 Hash Tag 内容都是一样的，那么，这些 key 对应的数据会被映射到同一个 Slot 中，同时会被分配到同一个实例上。

下面这张表就显示了使用 Hash Tag 后，数据被映射到相同 Slot 的情况，你可以看下。

其中，user:profile:3231和 user:order:3231的 Hash Tag 一样，都是 3231，它们的 CRC16 计算值对 16384 取模后的值也是一样的，所以就对应映射到了相同的 Slot 1024 中。

user:profile:5328和 user:order:5328也是相同的映射结果。那么，Hash Tag 一般用在什么场景呢？其实，它主要是用在 Redis Cluster 和 Codis 中，支持事务操作和范围查询。

因为 Redis Cluster 和 Codis 本身并不支持跨实例的事务操作和范围查询，当业务应用有这些需求时，就只能先把这些数据读取到业务层进行事务处理，或者是逐个查询每个实例，得到范围查询的结果。这样操作起来非常麻烦，所以，可以使用 Hash Tag 把要执行事务操作或是范围查询的数据映射到同一个实例上，这样就能很轻松地实现事务或范围查询了。

但是，使用 Hash Tag 的潜在问题，就是大量的数据可能被集中到一个实例上，导致数据倾斜，集群中的负载不均衡。那么，该怎么应对这种问题呢？我们就需要在范围查询、事务执行的需求和数据倾斜带来的访问压力之间，进行取舍了。

建议是，如果使用 Hash Tag 进行切片的数据会带来较大的访问压力，就优先考虑避免数据倾斜，最好不要使用 Hash Tag 进行数据切片。

因为事务和范围查询都还可以放在客户端来执行，而数据倾斜会导致实例不稳定，造成服务不可用。

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二、数据访问倾斜的成因和应对方法

发生数据访问倾斜的根本原因，就是实例上存在热点数据（比如新闻应用中的热点新闻内容、电商促销活动中的热门商品信息，等等）。

一旦热点数据被存在了某个实例中，那么，这个实例的请求访问量就会远高于其它实例，面临巨大的访问压力，如下图所示：

那么，该如何应对呢？

和数据量倾斜不同，热点数据通常是一个或几个数据，所以，直接重新分配 Slot 并不能解决热点数据的问题。

通常来说，热点数据以服务读操作为主，在这种情况下，可以采用热点数据多副本的方法来应对。

这个方法的具体做法是，把热点数据复制多份，在每一个数据副本的 key 中增加一个随机前缀，让它和其它副本数据不会被映射到同一个 Slot 中。

这样一来，热点数据既有多个副本可以同时服务请求，同时，这些副本数据的 key 又不一样，会被映射到不同的 Slot 中。在给这些 Slot 分配实例时，也要注意把它们分配到不同的实例上，那么，热点数据的访问压力就被分散到不同的实例上了。

这里，有个地方需要注意下，热点数据多副本方法只能针对只读的热点数据。

如果热点数据是有读有写的话，就不适合采用多副本方法了，因为要保证多副本间的数据一致性，会带来额外的开销。

对于有读有写的热点数据，就要给实例本身增加资源了，例如使用配置更高的机器，来应对大量的访问压力。

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三、总结

数据倾斜的两种情况：数据量倾斜和数据访问倾斜。

造成数据量倾斜的原因主要有三个：

1. 数据中有 bigkey，导致某个实例的数据量增加；
2. Slot 手工分配不均，导致某个或某些实例上有大量数据；
3. 使用了 Hash Tag，导致数据集中到某些实例上。

而数据访问倾斜的主要原因就是有热点数据存在，导致大量访问请求集中到了热点数据所在的实例上。

为了应对数据倾斜问题，我给你介绍了四个方法，也分别对应了造成数据倾斜的四个原因。我把它们总结在下表中，你可以看下。

当然，如果已经发生了数据倾斜，可以通过数据迁移来缓解数据倾斜的影响。

Redis Cluster 和 Codis 集群都提供了查看 Slot 分配和手工迁移 Slot 的命令。

最后，关于集群的实例资源配置，一个小建议：

在构建切片集群时，尽量使用大小配置相同的实例（例如实例内存配置保持相同），这样可以避免因实例资源不均衡而在不同实例上分配不同数量的 Slot。

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在有数据访问倾斜时，如果热点数据突然过期了，而 Redis 中的数据是缓存，数据的最终值保存在后端数据库，此时会发生什么问题？

此时会发生缓存击穿，热点请求会直接打到后端数据库上，数据库的压力剧增，可能会压垮数据库。

Redis 的很多性能问题，例如导致 Redis 阻塞的场景：bigkey、集中过期、大实例 RDB 等等，这些场景都与数据倾斜类似，都是因为数据集中、处理逻辑集中导致的耗时变长。

其解决思路也类似，都是把集中变分散，例如 bigkey 拆分为小 key、单个大实例拆分为切片集群等。

从软件架构演进过程来看，从单机到分布式，再到后来出现的消息队列、负载均衡等技术，也都是为了将请求压力分散开，避免数据集中、请求集中的问题，这样既可以让系统承载更大的请求量，同时还保证了系统的稳定性。

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