浅析Redis大Key | 京东云技术团队

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高春辉、王春生、朱峰：关于开源创业的15件小事

一、背景

在京东到家购物车系统中，用户基于门店能够对商品进行加车操作。用户与门店商品使用Redis的Hash类型存储，如下代码块所示。不知细心的你有没有发现，如果单门店加车商品过多，或者门店过多时，此Key就会越来越大，从而影响线上业务。

userPin:{
      storeId:{门店下加车的所有商品基本信息},
      storeId:{门店下加车的所有商品基本信息},
      ......
}

二、BigKey的界定和如何产生

2.1、BigKey的界定

BigKey称为大Key，通常以Key对应Value的存储大小，或者Key对应Value的数量来进行综合判断。对于大Key也没有严格的定义区分，针对String与非String结构，给出如下定义：

  • String：String类型的 Key 对应的 Value 超过 10KB
  • 非String结构（Hash，Set，ZSet，List）：Value的数量达到10000个，或者Vaule的总大小为100KB
  • 集群中Key的总数超过1亿

2.2、如何产生

1、数据结构设置不合理，例如集合中元素唯一时，应该使用Set替换List；

2、针对业务缺少预估性，没有预见Value动态增长；

3、Key没有设置过期时间，把缓存当成垃圾桶，一直再往里面扔，但是从不处理。

三、BigKey的危害

3.1、数据倾斜

redis数据倾斜分为数据访问倾斜和数据量倾斜，会导致该Key所在的数据分片节点CPU使用率、带宽使用率升高，从而影响该分片上所有Key的处理。

数据访问倾斜：某节点中key的QPS高于其他节点中的Key

数据量倾斜：某节点中key的大小高于其他节点中的Key，如下图，实例1中的Key1存储高于其他实例。

3.2、网络阻塞

Redis服务器是一个事件驱动程序，有文件事件和时间事件，文件事件和时间事件都是主线程完成。其中文件事件就是服务器对套接字操作的抽象，客户端与服务端的通信会产生相应的文件事件，服务器通过监听并处理这些事件来完成一系列网络通信操作。

Redis基于Reactor模式开发了自己的网络事件处理器，即文件事件处理器，该处理器内部使用I/O多路复用程序，可同时监听多个套接字，并根据套接字执行的任务来关联不同的事件处理器。文件事件处理器以单线程的方式运行，但是通过I/O多路复用程序来监听多个套接字，既实现了高性能网络通信模型，又保持了内部单线程设计的简单性。文件事件处理器构成如下图：

文件事件是对套接字操作的抽象，包括连接应答，写入，读取，关闭，因为一个服务器会连接多个套接字，所以文件事件可能并发出现，即使文件事件并发的出现，但是I/O多路复用程序会将套接字放入一个队列，通过队列有序的，同步的每次一个套接字的方式向文件事件分派器传送套接字，当让一个套接字产生的事件被处理完毕后，I/O多路复用程序才会继续向文件事件分派器传送下一个套接字，当有大key时，单次操作时间延长，导致网络阻塞。

3.3、慢查询

严重影响 QPS 、TP99 等指标，对大Key进行的慢操作会导致后续的命令被阻塞，从而导致一系列慢查询。

3.4、CPU压力

当单Key过大时，每一次访问此Key都可能会造成Redis阻塞，其他请求只能等待了。如果应用中设置了超时等，那么上层就会抛出异常信息。最后删除的时候也会造成redis阻塞，到时候内存中数据量过大，就会造成CPU负载过高。单个分片cpu占用率过高，其他分片无法拥有cpu资源，从而被影响。此外，大 key 对持久化也有些影响。fork 操作会拷贝父进程的页表项，如果过大，会占用更多页表，主线程阻塞拷贝需要一定的时间。

四、如何检测BigKey

4.1、redis-cli –bigkeys

首先我们从运行结果出发。首先通过脚本插入一些数据到redis中，然后执行redis-cli的–bigkeys选项

$ redis-cli --bigkeys

# Scanning the entire keyspace to find biggest keys as well as
# average sizes per key type.  You can use -i 0.01 to sleep 0.01 sec
# per SCAN command (not usually needed).
-------- 第一部分start -------
[00.00%] Biggest string found so far 'key-419' with 3 bytes
[05.14%] Biggest list   found so far 'mylist' with 100004 items
[35.77%] Biggest string found so far 'counter:__rand_int__' with 6 bytes
[73.91%] Biggest hash   found so far 'myobject' with 3 fields

-------- 第一部分end -------

服务器托管网
-------- summary -------

-------- 第二部分start -------
Sampled 506 keys in the keyspace!
Total key length in bytes is 3452 (avg len 6.82)

Biggest string found 'counter:__rand_int__' has 6 bytes
Biggest   list found 'mylist' has 100004 items
Biggest   hash found 'myobject' has 3 fields
-------- 第二部分end -------

-------- 第三部分start -------
504 strings with 1403 bytes (99.60% of keys, avg size 2.78)
1 lists with 100004 items (00.20% of keys, avg size 100004.00)
0 sets with 0 members (00.00% of keys, avg size 0.00)
1 hashs with 3 fields (00.20% of keys, avg size 3.00)
0 zsets with 0 members (00.00% of keys, avg size 0.00)
-------- 第三部分end -------

以下我们分三步对bigkeys选项源码原理进行解析，简要流程如下图：

4.1.1、第一部分是如何进行找key的呢？

Redis找bigkey的函数是static void findBigKeys(int memkeys, unsigned memkeys_samples)，因为–memkeys选项和–bigkeys选项是公用同一个函数，所以使用memkeys时会有额外两个参数memkeys、memkeys_sample，但这和–bigkeys选项没关系，所以不用理会。findBigKeys具体函数框架为：

1.申请6个变量用以统计6种数据类型的信息（每个变量记录该数据类型的key的总数量、bigkey是哪个等信息）

typedef struct {
    char *name;//数据类型，如string
    char *sizecmd;//查询大小命令，如string会调用STRLEN
    char *sizeunit;//单位，string类型为bytes，而hash为field
    unsigned long long biggest;//最大key信息域，此数据类型最大key的大小，如string类型是多少bytes，hash为多少field
    unsigned long long count;//统计信息域，此数据类型的key的总数
    unsigned long long totalsize;//统计信息域，此数据类型的key的总大小，如string类型是全部string总共多少bytes，hash为全部hash总共多少field
    sds biggest_key;//最大key信息域，此数据类型最大key的键名，之所以在数据结构末尾是考虑字节对齐
} typeinfo;

    dict *types_dict = dictCreate(&typeinfoDictType);
    typeinfo_add(types_dict, "string", &type_string);
    typeinfo_add(types_dict, "list", &type_list);
    typeinfo_add(types_dict, "set", &type_set);
    typeinfo_add(types_dict, "hash", &type_hash);
    typeinfo_add(types_dict, "zset", &type_zset);
    typeinfo_add(types_dict, "stream", &type_stream);

2.调用scan命令迭代地获取一批key（注意只是key的名称，类型和大小scan命令不返回）

/* scan循环扫描 */
do {
    /* 计算完成的百分比情况 */
    pct = 100 * (double)sampled/total_keys;//这里记录下扫描的进度

    /* 获取一些键并指向键数组 */
    reply = sendScan(&it);//这里发送SCAN命令，结果保存在reply中
    keys  = reply->element[1];//keys来保存这次scan获取的所有键名，注意只是键名，每个键的数据类型是不知道的。
    ......

} while(it != 0);

3.对每个key获取它的数据类型（type）和key的大小（size）

/* 检索类型，然后检索大小*/
getKeyTypes(types_dict, keys, types);
getKeySizes(keys, types, sizes, memkeys, memkeys_samples);

4.如果key的大小大于已记录的最大值的key，则更新最大key的信息

/* Now update our stats */
for(i=0;ielements;i++) {
    ......//前面已解析

    //如果遍历到比记录值更大的key时
    if(type->biggestbiggest_key)
            sdsfree(type->biggest_key);
        //更新最大key的键名
        type->biggest_key = sdscatrepr(sdsempty(), keys->element[i]->str, keys->element[i]->len);
        if(!type->biggest_key) {
            fprintf(stderr, "Failed to allocate memory for key!n");
            exit(1);
        }

        //每当找到一个更大的key时则输出该key信息
        printf(
            "[%05.2f%%] Biggest %-6s found so far '%s' with %llu %sn",
            pct, type->name, type->biggest_key, sizes[i],
            !memkeys? type->sizeunit: "bytes");

        /* Keep track of the biggest size for this type */
        //更新最大key的大小
        type->biggest = sizes[i];
    }

    ......//前面已解析
}

5.对每个key更新对应数据类型的统计信息

/* 现在更新统计数据 */
for(i=0;ielements;i++) {
    typeinfo *type = types[i];
    /* 跳过在SCAN和TYPE之间消失的键 */
    if(!type)
        continue;

    //对每个key更新每种数据类型的统计信息
    type->totalsize += sizes[i];//某数据类型（如string）的总大小增加
    type->count++;//某数据类型的key数量增加
    totlen += keys->element[i]->len;//totlen不针对某个具体数据类型，将所有key的键名的长度进行统计，注意只统计键名长度。
    sampled++;//已经遍历的key数量

    ......//后续解析

    /* 更新整体进度 */
    if(sampled % 1000000 == 0) {
        printf("[%05.2f%%] Sampled %llu keys so farn", pct, sampled);
    }
}

4.1.2、第二部分是如何执行的？

1.输出统计信息、最大key信息

   /* We're done */
    printf("n-------- summary -------nn");
    if (force_cancel_loop) printf("[%05.2f%%] ", pct);
    printf("Sampled %llu keys in the keyspace!n", sampled);
    printf("Total key length in bytes is %llu (avg len %.2f)nn",
       totlen, totlen ? (double)totlen/sampled : 0);

2.首先输出总共扫描了多少个key、所有key的总长度是多少。

/* Output the biggest keys we found, for types we did find */
    di = dictGetIterator(types_dict);
    while ((de = dictNext(di))) {
        typeinfo *type = dictGetVal(de);
        if(type->biggest_key) {
            printf("Biggest %6s found '%s' has %llu %sn", type->name, type->biggest_key,
               type->biggest, !memkeys? type->sizeunit: "bytes");
        }
    }
    dictReleaseIterator(di);

4.1.3、第三部分是如何执行的？

di为字典迭代器，用以遍历types_dict里面的所有dictEntry。de = dictNext(di)则可以获取下一个dictEntry，de是指向dictEntry的指针。又因为typeinfo结构体保存在dictEntry的v域中，所以用dictGetVal获取。然后就是输出typeinfo结构体里面保存的最大key相关的数据，包括最大key的键名和大小。

  di = dictGetIterator(types_dict);
    while ((de = dictNext(di))) {
        typeinfo *type = dictGetVal(de);
        printf("%llu %ss with %llu %s (%05.2f%% of keys, avg size %.2f)n",
           type->count, type->name, type->totalsize, !memkeys? type->sizeunit: "bytes",
           sampled ? 100 * (double)type->count/sampled : 0,
           type->count ? (double)type->totalsize/type->count : 0);
    }
    dictReleaseIterator(di);

4.2、使用开源工具发现大Key

在不影响线上服务的同时得到精确的分析报告。使用redis-rdb-tools工具以定制化方式找出大Key，该工具能够对Redis的RDB文件进行定制化的分析，但由于分析RDB文件为离线工作，因此对线上服务不会有任何影响，这是它的最大优点但同时也是它的最大缺点：离线分析代表着分析结果的较差时效性。对于一个较大的RDB文件，它的分析可能会持续很久很久。

redis-rdb-tools的项目地址为：https://github.com/sripathikrishnan/redis-rdb-tools

五、如何解决Bigkey

5.1、提前预防

  • 设置过期时间，尽量过期时间分散，防止同一时间过期；
  • 存储为String类型的JSON，可以删除不使用的Filed；

例如对象为{“userName”:”京东到家”,”ciyt”:”北京”}，如果只需要用到userName属性，那就定义新对象，只具有userName属性，精简缓存中数据

  • 存储为String类型的JSON，利用@JsonProperty注解让FiledName字符集缩小，代码例子如下。但是存在缓存数据识别性低的缺点；
import org.codehaus.jackson.annotate.JsonProperty;
import org.codehaus.jackson.map.ObjectMapper;
import java.io.IOException;
public class JsonTest {
    @JsonProperty("u")
    private String userName;

    public String getUserName() {
        return userName;
    }
    public void setUserName(String userName) {
        this.userName = userName;
    }
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        JsonTest output = new JsonTest();
        output.setUserName("京东到家");
        System.out.println(new ObjectMapper().writeValueAsString(output));

        String json = "{"u":"京东到家"}";
        JsonTest r1 = new ObjectMapper().readValue(json, JsonTest.class);
        System.out.println(r1.getUserName());
    }
}

{"u":"京东到家"}
京东到家
  • 采用压缩算法，利用时间换空间，进行序列化与反序列化。同时也存在缓存数据识别性低的缺点；
  • 在业务上进行干预，设置阈值。比如用户购物车的商品数量，或者领券的数量，不能无限的增大；

5.2、如何优雅删除BigKey

5.2.1、DEL

此命令在Redis不同版本中删除的机制并不相同，以下分别进行分析：

redis_version ：在主线程中同步删除，删除大Key会阻塞主线程，见如下源码基于redis 3.0版本。那针对非String结构数据，可以先通过SCAN命令读取部分数据，然后逐步进行删除，避免一次性删除大key导致Redis阻塞。

// 从数据库中删除给定的键，键的值，以及键的过期时间。
// 删除成功返回 1，因为键不存在而导致删除失败时，返回 0 
int dbDelete(redisDb *db, robj *key) {
    // 删除键的过期时间
    if (dictSize(db->expires) > 0) dictDelete(db->expires,key->ptr);

    // 删除键值对
    if (dictDelete(db->dict,key->ptr) == DICT_OK) {
        // 如果开启了集群模式，那么从槽中删除给定的键
        if (server.cluster_enabled) slotToKeyDel(key);
        return 1;
    } else {
        // 键不存在
        return 0;
    }
}

4.0 版本 ：引入lazy-free，手动开启lazy-free时，有4个选项可以控制，分别对应不同场景下，是否开启异步释放内存机制：

  • lazyfree-lazy-expire：key在过期删除时尝试异步释放内存
  • lazyfree-lazy-eviction：内存达到maxmemory并设置了淘汰策略时尝试异步释放内存
  • lazyfree-lazy-server-del：执行RENAME/MOVE等命令或需要覆盖一个key时，删除旧key尝试异步释放内存
  • replica-lazy-flush：主从全量同步，从库清空数据库时异步释放内存

开启lazy-free后，Redis在释放一个key的内存时，首先会评估代价，如果释放内存的代价很小，那么就直接在主线程中操作了，没必要放到异步线程中执行

redis_version >= 6.0 版本：引入lazyfree-lazy-user-del，只要开启了，del直接可以异步删除key，不会阻塞主线程。具体是为什么呢，现在先卖个关子，在下面进行解析。

5.2.2、SCAN

SCAN命令可以帮助在不阻塞主线程的情况下逐步遍历大量的键，以及避免对数据库的阻塞。以下代码是利用scan来扫描集群中的Key。

public void scanRedis(String cursor,String endCursor) {
        ReloadableJimClientFactory factory = new ReloadableJimClientFactory();
        String jimUrl = "jim://xxx/546";
        factory.setJimUrl(jimUrl);
        Cluster client = factory.getClient();
        ScanOptions.ScanOptionsBuilder scanOptions = ScanOptions.scanOptions();
        scanOptions.count(100);
 
        Boolean end = false;
        int k = 0;
        while (!end) {
            KeyScanResult result = client.scan(cursor, scanOptions.build());
            for (String key :result.getResult()){
                if (client.ttl(key) == -1){
服务器托管网
                    logger.info("永久key为:{}" , key);
                }
            }
            k++;
            cursor = result.getCursor();
            if (endCursor.equals(cursor)){
                break;
            }
        }
    }

5.2.3、UNLINK

Redis 4.0 提供了 lazy delete (unlink命令) ，下面基于源码（redis_version:7.2版本）分析下实现原理

  • del与unlink命令底层都调用了delGenericCommand()方法；
void delCommand(client *c) {
    delGenericCommand(c,server.lazyfree_lazy_user_del);
}
void unlinkCommand(client *c) {
    delGenericCommand(c,1);
}
  • lazyfree-lazy-user-del支持yes或者no。默认是no；
  • 如果设置为yes，那么del命令就等价于unlink，也是异步删除，这也同时解释了之前咱们的问题，为什么设置了lazyfree-lazy-user-del后，del命令就为异步删除。
void delGenericCommand(client *c, int lazy) {
    int numdel = 0, j;
    // 遍历所有输入键
    for (j = 1; j argc; j++) {
        // 先删除过期的键
        expireIfNeeded(c->db,c->argv[j],0);
        int deleted  = lazy ? dbAsyncDelete(c->db,c->argv[j]) :
                              dbSyncDelete(c->db,c->argv[j]);
        // 尝试删除键
        if (deleted) {
            // 删除键成功，发送通知
            signalModifiedKey(c,c->db,c->argv[j]);
            notifyKeyspaceEvent(NOTIFY_GENERIC,"del",c->argv[j],c->db->id);
            server.dirty++;
            // 成功删除才增加 deleted 计数器的值
            numdel++;
        }
    }
    // 返回被删除键的数量
    addReplyLongLong(c,numdel);
}

下面分析异步删除dbAsyncDelete()与同步删除dbSyncDelete()，底层同时也是调用dbGenericDelete()方法

int dbSyncDelete(redisDb *db, robj *key) {
    return dbGenericDelete(db, key, 0, DB_FLAG_KEY_DELETED);
}

int dbAsyncDelete(redisDb *db, robj *key) {
    return dbGenericDelete(db, key, 1, DB_FLAG_KEY_DELETED);
}

int dbGenericDelete(redisDb *db, robj *key, int async, int flags) {
    dictEntry **plink;
    int table;
    dictEntry *de = dictTwoPhaseUnlinkFind(db->dict,key->ptr,&plink,&table);
    if (de) {
        robj *val = dictGetVal(de);
        /* RM_StringDMA may call dbUnshareStringValue which may free val, so we need to incr to retain val */
        incrRefCount(val);
        /* Tells the module that the key has been unlinked from the database. */
        moduleNotifyKeyUnlink(key,val,db->id,flags);
        /* We want to try to unblock any module clients or clients using a blocking XREADGROUP */
        signalDeletedKeyAsReady(db,key,val->type);
        // 在调用用freeObjAsync之前，我们应该先调用decrRefCount。否则，引用计数可能大于1，导致freeObjAsync无法正常工作。
        decrRefCount(val);
        // 如果是异步删除，则会调用 freeObjAsync 异步释放 value 占用的内存。同时，将 key 对应的 value 设置为 NULL。
        if (async) {
            /* Because of dbUnshareStringValue, the val in de may change. */
            freeObjAsync(key, dictGetVal(de), db->id);
            dictSetVal(db->dict, de, NULL);
        }
        // 如果是集群模式，还会更新对应 slot 的相关信息
        if (server.cluster_enabled) slotToKeyDelEntry(de, db);

        /* Deleting an entry from the expires dict will not free the sds of the key, because it is shared with the main dictionary. */
        if (dictSize(db->expires) > 0) dictDelete(db->expires,key->ptr);
        // 释放内存
        dictTwoPhaseUnlinkFree(db->dict,de,plink,table);
        return 1;
    } else {
        return 0;
    }
}

如果为异步删除，调用freeObjAsync()方法，根据以下代码分析：

#define LAZYFREE_THRESHOLD 64

/* Free an object, if the object is huge enough, free it in async way. */
void freeObjAsync(robj *key, robj *obj, int dbid) {
    size_t free_effort = lazyfreeGetFreeEffort(key,obj,dbid);
    if (free_effort > LAZYFREE_THRESHOLD && obj->refcount == 1) {
        atomicIncr(lazyfree_objects,1);
        bioCreateLazyFreeJob(lazyfreeFreeObject,1,obj);
    } else {
        decrRefCount(obj);
    }
}

size_t lazyfreeGetFreeEffort(robj *key, robj *obj, int dbid) {
    if (obj->type == OBJ_LIST && obj->encoding == OBJ_ENCODING_QUICKLIST) {
        quicklist *ql = obj->ptr;
        return ql->len;
    } else if (obj->type == OBJ_SET && obj->encoding == OBJ_ENCODING_HT) {
        dict *ht = obj->ptr;
        return dictSize(ht);
    } else if (obj->type == OBJ_ZSET && obj->encoding == OBJ_ENCODING_SKIPLIST){
        zset *zs = obj->ptr;
        return zs->zsl->length;
    } else if (obj->type == OBJ_HASH && obj->encoding == OBJ_ENCODING_HT) {
        dict *ht = obj->ptr;
        return dictSize(ht);
    } else if (obj->type == OBJ_STREAM) {
        ...
        return effort;
    } else if (obj->type == OBJ_MODULE) {
        size_t effort = moduleGetFreeEffort(key, obj, dbid);
        /* If the module's free_effort returns 0, we will use asynchronous free
         * memory by default. */
        return effort == 0 ? ULONG_MAX : effort;
    } else {
        return 1; /* Everything else is a single allocation. */
    }
}

分析后咱们可以得出如下结论：

  • 当Hash/Set底层采用哈希表存储（非ziplist/int编码存储）时，并且元素数量超过64个
  • 当ZSet底层采用跳表存储（非ziplist编码存储）时，并且元素数量超过64个
  • 当List链表节点数量超过64个（注意，不是元素数量，而是链表节点的数量，List的实现是在每个节点包含了若干个元素的数据，这些元素采用ziplist存储）
  • refcount == 1 就是在没有引用这个Key时

只有以上这些情况，在删除key释放内存时，才会真正放到异步线程中执行，其他情况一律还是在主线程操作。也就是说String（不管内存占用多大）、List（少量元素）、Set（int编码存储）、Hash/ZSet（ziplist编码存储）这些情况下的key在释放内存时，依旧在主线程中操作。

5.3、分而治之

采用经典算法“分治法”，将大而化小。针对String和集合类型的Key，可以采用如下方式：

  • String类型的大Key：可以尝试将对象分拆成几个Key-Value， 使用MGET或者多个GET组成的pipeline获取值，分拆单次操作的压力，对于集群来说可以将操作压力平摊到多个分片上，降低对单个分片的影响。
  • 集合类型的大Key，并且需要整存整取要在设计上严格禁止这种场景的出现，如无法拆分，有效的方法是将该大Key从JIMDB去除，单独放到其他存储介质上。
  • 集合类型的大Key，每次只需操作部分元素：将集合类型中的元素分拆。以Hash类型为例，可以在客户端定义一个分拆Key的数量N，每次对HGET和HSET操作的field计算哈希值并取模N，确定该field落在哪个Key上。

如果线上服务强依赖Redis，需要考虑到如何做到“无感”，并保证数据一致性。咱们基本上可以采用三步走策略，如下图所示。分别是进行双写，双读校验，最后读新Key。在此基础上可以设置开关，做到上线后的平稳迁移。

六、总结

综上所述，针对文章开头咱们购物车大Key问题，相信你已经有了答案。咱们可以限制门店数，限制门店中的商品数。如果不作限制，咱们也能进行拆分，将大Key分散存储。例如。将Redis中Key类型改为List，key为用户与门店唯一键，Value为用户在此门店下的商品。

存储结构拆分成两种：
第一种：
    userPin：storeId的集合
第二种：
    userPin_storeId1:{门店下加车的所有商品基本信息}；
    userPin_storeId2:{门店下加车的所有商品基本信息}

以上介绍了大key的产生、识别、处理，以及如何使用合理策略和技术来应对。在使用Redis过程中，防范大于治理，在治理过程中也要做到业务无感。

七、参考

https://github.com/redis/redis.git

http://redisbook.com/

https://github.com/huangz1990/redis-3.0-annotated.git

https://blog.csdn.net/ldw201510803006/article/details/124790121

https://blog.csdn.net/kuangd_1992/article/details/130451679

http://sd.jd.com/article/4930?shareId=119428&isHideShareButton=1

https://www.liujiajia.me/2023/3/28/redis-bigkeys

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