各位观众老爷，晚上好！欢迎来到今晚的Redis内存管理脱口秀！我是你们的老朋友，内存挖掘机——老码农。今天咱们不聊八卦，不谈风月，就来聊聊Redis这位内存界的“吃货”，是怎么管理自己的“身材”的！
我们都知道，Redis以其高速读写能力叱咤江湖，堪称数据界的“闪电侠”。但闪电侠也是要吃饭的，而且吃得还不少，毕竟所有的数据都得塞进内存里。那么问题来了，内存就那么大，Redis吃多了会不会消化不良，变成一个臃肿的胖子呢？这就是我们今天要深入探讨的话题：Redis的内存管理，包括内存碎片、过期键以及逐出策略。
一、内存碎片：吃太快，消化不良的烦恼
想象一下，你是一个贪吃的孩子，一口气吞下各种形状的饼干、糖果、水果。刚开始可能没问题，但时间长了，你的胃里就会出现各种空隙，这些空隙就是“内存碎片”。
在Redis中，内存碎片指的是已经分配出去，但无法被有效利用的内存空间。它们像一个个小坑，零零散散地分布在内存中，导致即使还有剩余内存，也无法分配给需要连续空间的键值对。
1. 内存碎片是怎么产生的？
- 频繁的分配和释放： Redis会根据键值对的大小，动态地分配和释放内存。如果频繁地进行这种操作，就会在内存中留下许多小块的空闲空间，形成碎片。这就像你吃完各种零食，包装袋丢得到处都是，占地方又没用。
- 键值对大小不一： 当存储的键值对大小差异很大时，更容易产生碎片。例如，先存储一个很大的字符串，然后删除它，再存储一个小字符串，那么之前大字符串占据的空间可能无法完全被小字符串利用，从而产生碎片。
2. 内存碎片的危害
- 浪费内存： 碎片占据了实际可用的内存空间，降低了内存利用率。明明还有空地，却盖不了房子，你说气不气人？
- 性能下降： 当Redis需要分配一块连续的内存空间时，如果碎片过多，可能需要花费更多的时间来寻找合适的空闲块，导致性能下降。这就像你找钥匙，翻箱倒柜半天找不到，急得直跺脚。
3. 如何查看内存碎片？
我们可以使用INFO memory命令来查看Redis的内存信息，其中有两个关键指标：
mem_fragmentation_ratio: 内存碎片率。理想情况下，该值接近于1。如果大于1，表示存在内存碎片；如果大于1.5，表示碎片比较严重，需要关注。mem_allocator: Redis使用的内存分配器。不同的分配器对碎片的影响不同。例如，jemalloc分配器通常比glibc的malloc分配器更能减少碎片。
| 指标 | 含义 |
|---|---|
mem_fragmentation_ratio |
内存碎片率。used_memory_rss / used_memory。used_memory_rss是操作系统看到的Redis进程占用的物理内存，used_memory是Redis自己统计的使用内存。该值大于1时表示存在内存碎片。越大碎片越严重。 |
mem_allocator |
Redis使用的内存分配器。通常是jemalloc或glibc。jemalloc在管理内存碎片方面通常优于glibc。 |
used_memory |
Redis分配器分配的内存总量，包括数据、索引、内部结构等。 |
used_memory_rss |
Redis进程实际占用的物理内存大小。这包括了used_memory以及其他开销，比如内存碎片、共享库等。 |
used_memory_peak |
Redis分配器分配的内存峰值。 |
used_memory_lua |
Lua脚本引擎使用的内存。 |
maxmemory |
配置的最大内存限制。 |
maxmemory_policy |
内存淘汰策略。 |
4. 如何减少内存碎片？
- 避免频繁的分配和释放： 尽量减少频繁的创建和删除键值对的操作。如果可以，尽量重用已有的键值对。
- 使用合适的数据结构： 不同的数据结构对内存的使用效率不同。例如，使用
hash存储多个小的键值对，可以减少内存碎片。 - 定期重启Redis： 重启Redis可以释放所有内存，消除碎片。但这种方法会造成服务中断，需要在业务低峰期进行。
- 使用
MEMORY PURGE命令（Redis 4.0及以上版本）： 该命令可以尝试清理内存碎片，但效果有限，且可能会阻塞服务器。 - 升级到Redis 6.0+： Redis 6.0对内存管理进行了优化，可以更好地处理内存碎片。
二、过期键：时间到了，该说再见
Redis是一个急性子，如果你不告诉它某些数据需要保存多久，它可是会一直留着，直到内存爆炸为止。所以，我们需要给一些键设置过期时间，告诉Redis：“嘿，伙计，这些东西过一段时间就没用了，到时候记得扔掉！”
1. 如何设置过期时间？
我们可以使用EXPIRE、PEXPIRE、EXPIREAT、PEXPIREAT等命令来设置键的过期时间。
EXPIRE key seconds: 设置键的过期时间，单位为秒。PEXPIRE key milliseconds: 设置键的过期时间，单位为毫秒。EXPIREAT key timestamp: 设置键的过期时间，使用Unix时间戳，单位为秒。PEXPIREAT key timestamp: 设置键的过期时间，使用Unix时间戳，单位为毫秒。
例如：
SET mykey "Hello"
EXPIRE mykey 60 # 设置mykey在60秒后过期2. 过期键的删除策略
Redis并不会等到键过期后立即删除它，而是采用了一种折中的方案，结合了以下几种策略：
- 惰性删除： 当客户端尝试访问一个已经过期的键时，Redis会检查该键是否过期，如果过期则删除，并返回错误。这种策略的优点是节省CPU资源，缺点是如果某个键一直没有被访问，那么它就会一直占用内存。
- 定期删除： Redis会定期（默认每秒10次）地抽取一些键进行检查，如果发现过期键则删除。这种策略可以在一定程度上缓解惰性删除的缺点，但仍然存在一定的延迟。
3. 如何优化过期键的删除策略？
默认的定期删除策略已经足够应付大多数场景，但如果你的Redis实例中存在大量的过期键，或者对内存利用率要求很高，可以考虑调整hz选项，控制定期删除的频率。
CONFIG SET hz 20 # 将定期删除的频率提高到每秒20次需要注意的是，提高hz的值会增加CPU的占用率，需要在性能和内存利用率之间进行权衡。
三、逐出策略：内存不够用了，谁来背锅？
当Redis的内存达到上限时，就需要一种机制来决定删除哪些键，从而腾出空间来存储新的数据。这就是逐出策略，也称为内存淘汰策略。
1. 常见的逐出策略
Redis提供了多种逐出策略，可以根据不同的应用场景进行选择。
- noeviction: 这是默认策略。当内存达到上限时，Redis不会删除任何键，而是直接返回错误。这意味着你无法写入新的数据，直到你手动删除一些键。这种策略比较保守，可以避免意外的数据丢失。
- allkeys-lru: 删除最近最少使用的键。这是最常用的策略之一，适用于访问模式比较均匀的场景。
- volatile-lru: 只从设置了过期时间的键中删除最近最少使用的键。这种策略适用于只希望淘汰那些设置了过期时间的键的场景。
- allkeys-random: 随机删除键。这种策略简单粗暴，但可能会删除一些重要的键。
- volatile-random: 只从设置了过期时间的键中随机删除键。
- volatile-ttl: 删除剩余生存时间最短的键。这种策略适用于希望优先删除那些即将过期的键的场景。
- allkeys-lfu: 删除最近最不常用的键。这种策略比LRU更精确，但需要更多的CPU资源。
- volatile-lfu: 只从设置了过期时间的键中删除最近最不常用的键。
| 策略 | 描述 | 适用场景 |
|---|---|---|
noeviction |
不驱逐任何键，当内存达到上限时，写操作会返回错误。 | 避免数据丢失是最重要的，愿意接受写操作失败的情况。 |
allkeys-lru |
驱逐所有键中最近最少使用的键 (LRU – Least Recently Used)。 | 适用于访问模式比较均匀，且希望保留最近被访问的键的场景。 |
volatile-lru |
驱逐设置了过期时间的键中最近最少使用的键。 | 适用于只想淘汰设置了过期时间的键，例如缓存数据。 |
allkeys-random |
随机驱逐所有键。 | 适用于对数据重要性没有特别要求的场景，或者作为快速测试的策略。 |
volatile-random |
随机驱逐设置了过期时间的键。 | 适用于只想随机淘汰设置了过期时间的键。 |
volatile-ttl |
驱逐剩余生存时间 (TTL) 最短的键。 | 适用于希望优先淘汰即将过期的键的场景，例如希望尽快释放不再使用的资源。 |
allkeys-lfu |
驱逐所有键中最近最不常用的键 (LFU – Least Frequently Used)。LRU 更注重最近访问的时间，而 LFU 更注重访问的频率。 | 适用于需要更精确地识别不常用键的场景，例如长期缓存。相对 LRU，LFU 可能需要更多的 CPU 资源。 |
volatile-lfu |
驱逐设置了过期时间的键中最近最不常用的键。 | 适用于只想淘汰设置了过期时间的键，并且希望更精确地识别不常用键的场景。 |
2. 如何选择合适的逐出策略？
选择合适的逐出策略需要根据具体的应用场景进行考虑。
- 如果你的应用对数据丢失非常敏感，那么应该选择
noeviction策略。 - 如果你的应用对性能要求很高，且访问模式比较均匀，那么可以选择
allkeys-lru策略。 - 如果你的应用中既有需要持久化的数据，又有可以缓存的数据，那么可以选择
volatile-lru策略。 - 如果你的应用对数据的访问频率差异很大，那么可以选择
allkeys-lfu策略。
3. 如何设置逐出策略？
可以使用CONFIG SET maxmemory-policy <policy>命令来设置逐出策略。
例如：
CONFIG SET maxmemory-policy allkeys-lru四、总结：做一个健康的Redis“吃货”
好了，今天的Redis内存管理脱口秀就到这里了。希望通过今天的讲解，大家对Redis的内存管理有了更深入的了解。
记住，要想让Redis保持高性能，我们需要：
- 尽量减少内存碎片，避免吃太快，消化不良。
- 给不需要长期保存的数据设置过期时间，时间到了就该说再见。
- 选择合适的逐出策略，内存不够用了，也要优雅地“断舍离”。
只有这样，我们才能让Redis这位“吃货”保持健康的身材，继续为我们的应用提供高效稳定的服务！
感谢大家的观看！我们下期再见！👋