详解如何清理Redis内存碎片

明明做了数据删除,数据量已经不大了,为什么使用 top 命令查看时,还会发现 Redis 占用了很多内存呢?实际上,这是因为,当数据删除后,Redis 释放的内

明明做了数据删除,数据量已经不大了,为什么使用 top 命令查看时,还会发现 Redis 占用了很多内存呢?
实际上,这是因为,当数据删除后,Redis 释放的内存空间会由内存分配器管理,并不会立即返回给操作系统。

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Redis内存碎片?

操作系统的剩余空间总量足够,但申请一块N字节连续地址的空间时,剩余内存空间中没有大小为N字节的连续空间,那么这些剩余内存空间中,小于N字节的连续内存空间就是内存碎片。

Redis内存碎片是如何形成的?

内存碎片形成有内部原因和外部原因:

  • 内部原因:内存分配器的分配策略决定操作系统无法做到“按需分配”。
    • Redis使用libc、jemalloc、tcmalloc多种内存分配器来分配内存,默认使用jemalloc。
    • 内存分配器是按照固定大小来分配内存空间,不是完全按照应用程序申请的内存大小来分配。
    • 以jemalloc为例,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、...、2KB、4KB等。当程序申请的内存最接近某个固定值时,jemalloc就会给它分配相应大小的空间。
  • 外部原因:键值对大小不一样,并且键值对可以被修改和删除。
    • Redis申请内存空间分配时,对于大小不一的内存空间需求,内存分配器按照固定大小分配内存空间,分配的内存空间一般都会比申请的内存空间大一些,这会产生一定的内存碎片。
    • 键值对会被修改和删除,会导致空间的扩容和释放。

如何判断Redis是否有内存碎片?

DAS通过Redis提供的INFO命令,查询内存使用的详细信息,命令如下:

INFO memory
# Memory
used_memory:350458970752
used_memory_human:326.39G
used_memory_rss:349066919936
used_memory_rss_human:325.09G
…
mem_fragmentation_ratio:1.00
  • used_memory:表示Redis为了保存数据实际申请使用的内存空间。
  • used_memory_rss:表示操作系统实际分配给Redis的物理内存空间,其中包含了内存空间碎片。
  •  mem_fragmentation_ratio:表示Redis当前的内存碎片率。计算公式:mem_fragmentation_ratio=used_memory_rss/used_memory
    • mem_fragmentation_ratio大于等于1但小于等于1.5,这种情况是合理的。
    • mem_fragmentation_ratio大于1.5,表明内存碎片率已经超过了50%。

如何清理内存碎片?

一个“简单粗暴”的方法是重启Redis实例。但是这个方法会带来两个后果:

  • 如果Redis中的数据没有持久化,数据会丢失;
  • 即使Redis数据持久化了,还需要通过AOF或者RDB来恢复,恢复时长取决于AOF或RDB的大小。并且如果只有一个Redis实例,恢复阶段无法提供服务。

 那有没有更好的方法呢?有的,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。

内存碎片自动清理

内存碎片清理,简单来说,就是“搬家让位,合并空间”。

当有数据把一块连续的内存空间分割成好几块不连续的空间时,操作系统会把数据拷贝到另外,而原来不连续的内存空间就变成连续的内存空间了。

但是碎片清理是有代价的。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。另外在数据拷贝时,会阻塞Redis,降低性能。

如何缓解这个问题?

Redis专门为自动内存碎片清理机制提供参数设置。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请求处理的性能影响。

首先,开启自动内存碎片清理:

config set activedefrag yes
然后,设置触发内存清理的条件:

  • active-defrag-ignore-bytes 100mb:表示内存碎片的字节数达到100MB时,开始清理;
  • active-defrag-threshold-lower 10:表示内存碎片空间占操作系统分配给Redis的总空间比例达到10%时,开始清理。

最后,控制清理操作占用CPU时间比例的上、下限:

  • active-defrag-cycle-min 25: 表示自动清理过程所用CPU时间的比例不低于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。

总结

内存碎片自动清理涉及内存拷贝,这对 Redis 而言,是个潜在的风险。如果你在实践过程中遇到 Redis 性能变慢,记得通过日志看下是否正在进行碎片清理。如果 Redis 的确正在清理碎片,那么,我建议你调小 active-defrag-cycle-max 的值,以减轻对正常请求处理的影响。

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