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深入了解一下Redis的内存模型!

内容预览:
  • 4、内存碎片 内存碎片是Redis在分配、回收物理内存过程中产生的~
  • 如果有一个条件不满足,则使用跳跃表;且编码只可能由压缩列表转化为跳...~
  • 由于jemalloc分配内存时数值是不连续的,因此key/value字符串变化一个字...~

始发于微信公众号: Java后端技术

深入了解一下Redis的内存模型!

来源 | 个人博客 | 投稿 | 作者 | 编程迷思

一、前言

Redis是目前最火爆的内存数据库之一,通过在内存中读写数据,大大提高了读写速度,可以说Redis是实现网站高并发不可或缺的一部分。

我们使用Redis时,会接触Redis的5种对象类型(字符串、哈希、列表、集合、有序集合),丰富的类型是Redis相对于Memcached等的一大优势。在了解Redis的5种对象类型的用法和特点的基础上,进一步了解Redis的内存模型,对Redis的使用有很大帮助,例如:

1、估算Redis内存使用量。目前为止,内存的使用成本仍然相对较高,使用内存不能无所顾忌;根据需求合理的评估Redis的内存使用量,选择合适的机器配置,可以在满足需求的情况下节约成本。

2、优化内存占用。了解Redis内存模型可以选择更合适的数据类型和编码,更好的利用Redis内存。

3、分析解决问题。当Redis出现阻塞、内存占用等问题时,尽快发现导致问题的原因,便于分析解决问题。

这篇文章主要介绍Redis的内存模型(以3.0为例),包括Redis占用内存的情况及如何查询、不同的对象类型在内存中的编码方式、内存分配器(jemalloc)、简单动态字符串(SDS)、RedisObject等;然后在此基础上介绍几个Redis内存模型的应用。

在后面的文章中,会陆续介绍关于Redis高可用的内容,包括主从复制、哨兵、集群等等,欢迎关注。

原创不易,如果觉得文章对你有帮助,欢迎点赞、评论。文章有疏漏之处,欢迎批评指正。

二、Redis内存统计

工欲善其事必先利其器,在说明Redis内存之前首先说明如何统计Redis使用内存的情况。

在客户端通过redis-cli连接服务器后(后面如无特殊说明,客户端一律使用redis-cli),通过info命令可以查看内存使用情况:info memory

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其中,info命令可以显示redis服务器的许多信息,包括服务器基本信息、CPU、内存、持久化、客户端连接信息等等;memory是参数,表示只显示内存相关的信息。

返回结果中比较重要的几个说明如下:

(1)used_memory:Redis分配器分配的内存总量(单位是字节),包括使用的虚拟内存(即swap);Redis分配器后面会介绍。used_memory_human只是显示更友好。

(2)used_memory_rss:Redis进程占据操作系统的内存(单位是字节),与top及ps命令看到的值是一致的;除了分配器分配的内存之外,used_memory_rss还包括进程运行本身需要的内存、内存碎片等,但是不包括虚拟内存。

因此,used_memory和used_memory_rss,前者是从Redis角度得到的量,后者是从操作系统角度得到的量。二者之所以有所不同,一方面是因为内存碎片和Redis进程运行需要占用内存,使得前者可能比后者小,另一方面虚拟内存的存在,使得前者可能比后者大。

由于在实际应用中,Redis的数据量会比较大,此时进程运行占用的内存与Redis数据量和内存碎片相比,都会小得多;因此used_memory_rss和used_memory的比例,便成了衡量Redis内存碎片率的参数;这个参数就是mem_fragmentation_ratio。

(3)mem_fragmentation_ratio:内存碎片比率,该值是used_memory_rss / used_memory的比值。

mem_fragmentation_ratio一般大于1,且该值越大,内存碎片比例越大。mem_fragmentation_ratio<1,说明Redis使用了虚拟内存,由于虚拟内存的媒介是磁盘,比内存速度要慢很多,当这种情况出现时,应该及时排查,如果内存不足应该及时处理,如增加Redis节点、增加Redis服务器的内存、优化应用等。

一般来说,mem_fragmentation_ratio在1.03左右是比较健康的状态(对于jemalloc来说);上面截图中的mem_fragmentation_ratio值很大,是因为还没有向Redis中存入数据,Redis进程本身运行的内存使得used_memory_rss 比used_memory大得多。

(4)mem_allocator:Redis使用的内存分配器,在编译时指定;可以是 libc 、jemalloc或者tcmalloc,默认是jemalloc;截图中使用的便是默认的jemalloc。

三、Redis内存划分

Redis作为内存数据库,在内存中存储的内容主要是数据(键值对);通过前面的叙述可以知道,除了数据以外,Redis的其他部分也会占用内存。

Redis的内存占用主要可以划分为以下几个部分:

1、数据

作为数据库,数据是最主要的部分;这部分占用的内存会统计在used_memory中。

Redis使用键值对存储数据,其中的值(对象)包括5种类型,即字符串、哈希、列表、集合、有序集合。这5种类型是Redis对外提供的,实际上,在Redis内部,每种类型可能有2种或更多的内部编码实现;此外,Redis在存储对象时,并不是直接将数据扔进内存,而是会对对象进行各种包装:如redisObject、SDS等;这篇文章后面将重点介绍Redis中数据存储的细节。

2、进程本身运行需要的内存

Redis主进程本身运行肯定需要占用内存,如代码、常量池等等;这部分内存大约几兆,在大多数生产环境中与Redis数据占用的内存相比可以忽略。这部分内存不是由jemalloc分配,因此不会统计在used_memory中。

补充说明:除了主进程外,Redis创建的子进程运行也会占用内存,如Redis执行AOF、RDB重写时创建的子进程。当然,这部分内存不属于Redis进程,也不会统计在used_memory和used_memory_rss中。

3、缓冲内存

缓冲内存包括客户端缓冲区、复制积压缓冲区、AOF缓冲区等;其中,客户端缓冲存储客户端连接的输入输出缓冲;复制积压缓冲用于部分复制功能;AOF缓冲区用于在进行AOF重写时,保存最近的写入命令。在了解相应功能之前,不需要知道这些缓冲的细节;这部分内存由jemalloc分配,因此会统计在used_memory中。

4、内存碎片

内存碎片是Redis在分配、回收物理内存过程中产生的。例如,如果对数据的更改频繁,而且数据之间的大小相差很大,可能导致redis释放的空间在物理内存中并没有释放,但redis又无法有效利用,这就形成了内存碎片。内存碎片不会统计在used_memory中。

内存碎片的产生与对数据进行的操作、数据的特点等都有关;此外,与使用的内存分配器也有关系:如果内存分配器设计合理,可以尽可能的减少内存碎片的产生。后面将要说到的jemalloc便在控制内存碎片方面做的很好。

如果Redis服务器中的内存碎片已经很大,可以通过安全重启的方式减小内存碎片:因为重启之后,Redis重新从备份文件中读取数据,在内存中进行重排,为每个数据重新选择合适的内存单元,减小内存碎片。

四、Redis数据存储的细节

1、概述

关于Redis数据存储的细节,涉及到内存分配器(如jemalloc)、简单动态字符串(SDS)、5种对象类型及内部编码、redisObject。在讲述具体内容之前,先说明一下这几个概念之间的关系。

下图是执行set hello world时,所涉及到的数据模型。

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(1)dictEntry:Redis是Key-Value数据库,因此对每个键值对都会有一个dictEntry,里面存储了指向Key和Value的指针;next指向下一个dictEntry,与本Key-Value无关。

(2)Key:图中右上角可见,Key(”hello”)并不是直接以字符串存储,而是存储在SDS结构中。

(3)redisObject:Value(“world”)既不是直接以字符串存储,也不是像Key一样直接存储在SDS中,而是存储在redisObject中。实际上,不论Value是5种类型的哪一种,都是通过redisObject来存储的;而redisObject中的type字段指明了Value对象的类型,ptr字段则指向对象所在的地址。不过可以看出,字符串对象虽然经过了redisObject的包装,但仍然需要通过SDS存储。

实际上,redisObject除了type和ptr字段以外,还有其他字段图中没有给出,如用于指定对象内部编码的字段;后面会详细介绍。

(4)jemalloc:无论是DictEntry对象,还是redisObject、SDS对象,都需要内存分配器(如jemalloc)分配内存进行存储。以DictEntry对象为例,有3个指针组成,在64位机器下占24个字节,jemalloc会为它分配32字节大小的内存单元。

下面来分别介绍jemalloc、redisObject、SDS、对象类型及内部编码。

2、jemalloc

Redis在编译时便会指定内存分配器;内存分配器可以是 libc 、jemalloc或者tcmalloc,默认是jemalloc。

jemalloc作为Redis的默认内存分配器,在减小内存碎片方面做的相对比较好。jemalloc在64位系统中,将内存空间划分为小、大、巨大三个范围;每个范围内又划分了许多小的内存块单位;当Redis存储数据时,会选择大小最合适的内存块进行存储。

jemalloc划分的内存单元如下图所示:深入了解一下Redis的内存模型! 

例如,如果需要存储大小为130字节的对象,jemalloc会将其放入160字节的内存单元中。

3、redisObject

前面说到,Redis对象有5种类型;无论是哪种类型,Redis都不会直接存储,而是通过redisObject对象进行存储。

redisObject对象非常重要,Redis对象的类型、内部编码、内存回收、共享对象等功能,都需要redisObject支持,下面将通过redisObject的结构来说明它是如何起作用的。

redisObject的定义如下(不同版本的Redis可能稍稍有所不同):

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redisObject的每个字段的含义和作用如下:

(3.1)type

type字段表示对象的类型,占4个比特;目前包括REDIS_STRING(字符串)、REDIS_LIST (列表)、REDIS_HASH(哈希)、REDIS_SET(集合)、REDIS_ZSET(有序集合)。

当我们执行type命令时,便是通过读取RedisObject的type字段获得对象的类型;如下图所示:

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3.2)encoding

encoding表示对象的内部编码,占4个比特。

对于Redis支持的每种类型,都有至少两种内部编码,例如对于字符串,有int、embstr、raw三种编码。通过encoding属性,Redis可以根据不同的使用场景来为对象设置不同的编码,大大提高了Redis的灵活性和效率。以列表对象为例,有压缩列表和双端链表两种编码方式;如果列表中的元素较少,Redis倾向于使用压缩列表进行存储,因为压缩列表占用内存更少,而且比双端链表可以更快载入;当列表对象元素较多时,压缩列表就会转化为更适合存储大量元素的双端链表。

通过object encoding命令,可以查看对象采用的编码方式,如下图所示:

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5种对象类型对应的编码方式以及使用条件,将在后面介绍。

(3.3)lru

lru记录的是对象最后一次被命令程序访问的时间,占据的比特数不同的版本有所不同(如4.0版本占24比特,2.6版本占22比特)。

通过对比lru时间与当前时间,可以计算某个对象的空转时间;object idletime命令可以显示该空转时间(单位是秒)。object idletime命令的一个特殊之处在于它不改变对象的lru值。

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lru值除了通过object idletime命令打印之外,还与Redis的内存回收有关系:如果Redis打开了maxmemory选项,且内存回收算法选择的是volatile-lru或allkeys—lru,那么当Redis内存占用超过maxmemory指定的值时,Redis会优先选择空转时间最长的对象进行释放。

(3.4)refcount

3.4.1)refcount与共享对象

refcount记录的是该对象被引用的次数,类型为整型。refcount的作用,主要在于对象的引用计数和内存回收。当创建新对象时,refcount初始化为1;当有新程序使用该对象时,refcount加1;当对象不再被一个新程序使用时,refcount减1;当refcount变为0时,对象占用的内存会被释放。

Redis中被多次使用的对象(refcount>1),称为共享对象。Redis为了节省内存,当有一些对象重复出现时,新的程序不会创建新的对象,而是仍然使用原来的对象。这个被重复使用的对象,就是共享对象。目前共享对象仅支持整数值的字符串对象。

(3.4.2)共享对象的具体实现

Redis的共享对象目前只支持整数值的字符串对象。之所以如此,实际上是对内存和CPU(时间)的平衡:共享对象虽然会降低内存消耗,但是判断两个对象是否相等却需要消耗额外的时间。对于整数值,判断操作复杂度为O(1);对于普通字符串,判断复杂度为O(n);而对于哈希、列表、集合和有序集合,判断的复杂度为O(n^2)。

虽然共享对象只能是整数值的字符串对象,但是5种类型都可能使用共享对象(如哈希、列表等的元素可以使用)。

就目前的实现来说,Redis服务器在初始化时,会创建10000个字符串对象,值分别是0~9999的整数值;当Redis需要使用值为0~9999的字符串对象时,可以直接使用这些共享对象。10000这个数字可以通过调整参数REDIS_SHARED_INTEGERS(4.0中是OBJ_SHARED_INTEGERS)的值进行改变。

共享对象的引用次数可以通过object refcount命令查看,如下图所示。命令执行的结果页佐证了只有0~9999之间的整数会作为共享对象。

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(3.5)ptr

ptr指针指向具体的数据,如前面的例子中,set hello world,ptr指向包含字符串world的SDS。

(3.6)总结

综上所述,redisObject的结构与对象类型、编码、内存回收、共享对象都有关系;一个redisObject对象的大小为16字节:

4bit+4bit+24bit+4Byte+8Byte=16Byte。

4、SDS

Redis没有直接使用C字符串(即以空字符’

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