本文作为学习笔记，文章内容来自“极客时间”专栏《Redis核心技术与实战》，如有侵权，请告知，必即时删除。
Redis 自身的操作特性、文件系统和操作系统，它们是影响 Redis 性能的三大要素。下面将从这三个方面来分析Redis突然变慢的排查以及解决方案
1、Redis自身的操作特性
1.1、慢查询命令
慢查询命令，就是指在 Redis 中执行速度慢的命令，这会导致 Redis 延迟增加。Redis 提供的命令操作很多，并不是所有命令都慢，这和命令操作的复杂度有关。所以，我们必须要知道 Redis 的不同命令的复杂度。Redis 官方文档中对每个命令的复杂度都有介绍，当你需要了解某个命令的复杂度时，可以直接查询。
当你发现 Redis 性能变慢时，可以通过 Redis 日志或者是 latency monitor 工具，查询变慢的请求，根据请求对应的具体命令以及官方文档，确认下是否采用了复杂度高的慢查询命令。如果的确有大量的慢查询命令，有两种处理方式：
- 用其他高效命令代替。比如说，如果你需要返回一个 SET 中的所有成员时，不要使用 SMEMBERS 命令，而是要使用 SSCAN 多次迭代返回，避免一次返回大量数据，造成线程阻塞。
- 当你需要执行排序、交集、并集操作时，可以在客户端完成，而不要用 SORT、SUNION、SINTER 这些命令，以免拖慢 Redis 实例。
还有一个比较容易忽略的慢查询命令，就是 KEYS。它用于返回和输入模式匹配的所有 key，例如，以下命令返回所有包含“name”字符串的 keys。
redis> KEYS *name*1) "lastname"2) "firstname"
因为 KEYS 命令需要遍历存储的键值对，所以操作延时高。如果你不了解它的实现而使用了它，就会导致 Redis 性能变慢。所以，KEYS 命令一般不被建议用于生产环境中。
1.2、过期 key 操作
Redis 键值对的 key 可以设置过期时间。默认情况下，Redis 每 100 毫秒会删除一些过期 key，具体的算法如下：
- 采样 ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_LOOKUPS_PER_LOOP 个数的 key，并将其中过期的 key 全部删除；
- 如果超过 25% 的 key 过期了，则重复删除的过程，直到过期 key 的比例降至 25% 以下。
ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_LOOKUPS_PER_LOOP 是 Redis 的一个参数，默认是 20，那么，一秒内基本有 200 个过期 key 会被删除。这一策略对清除过期 key、释放内存空间很有帮助。如果每秒钟删除 200 个过期 key，并不会对 Redis 造成太大影响。但是，如果触发了上面这个算法的第二条，Redis 就会一直删除以释放内存空间。注意，删除操作是阻塞的（Redis 4.0 后可以用异步线程机制来减少阻塞影响）。所以，一旦该条件触发，Redis 的线程就会一直执行删除，这样一来，就没办法正常服务其他的键值操作了，就会进一步引起其他键值操作的延迟增加，Redis 就会变慢。
那么，算法的第二条是怎么被触发的呢？其中一个重要来源，就是频繁使用带有相同时间参数的 EXPIREAT 命令设置过期 key，这就会导致，在同一秒内有大量的 key 同时过期。
解决方案：你要检查业务代码在使用 EXPIREAT 命令设置 key 过期时间时，是否使用了相同的 UNIX 时间戳，有没有使用 EXPIRE 命令给批量的 key 设置相同的过期秒数。因为，这都会造成大量 key 在同一时间过期，导致性能变慢。
遇到这种情况时，千万不要嫌麻烦，你首先要根据实际业务的使用需求，决定 EXPIREAT 和 EXPIRE 的过期时间参数。其次，如果一批 key 的确是同时过期，你还可以在 EXPIREAT 和 EXPIRE 的过期时间参数上，加上一个一定大小范围内的随机数，这样，既保证了 key 在一个邻近时间范围内被删除，又避免了同时过期造成的压力。
2、文件系统：AOF模式
为了保证数据可靠性，Redis 会采用 AOF 日志或 RDB 快照。其中，AOF 日志提供了三种日志写回策略：no、everysec、always。这三种写回策略依赖文件系统的两个系统调用完成，也就是 write 和 fsync。
write 只要把日志记录写到内核缓冲区，就可以返回了，并不需要等待日志实际写回到磁盘；而 fsync 需要把日志记录写回到磁盘后才能返回，时间较长。下面这张表展示了三种写回策略所执行的系统调用。
18.jpg
在使用 everysec 时，Redis 允许丢失一秒的操作记录，所以，Redis 主线程并不需要确保每个操作记录日志都写回磁盘。而且，fsync 的执行时间很长，如果是在 Redis 主线程中执行 fsync，就容易阻塞主线程。所以，当写回策略配置为 everysec 时，Redis 会使用后台的子线程异步完成 fsync 的操作。always 策略并不使用后台子线程来执行。
另外，Redis 使用子进程来进行 AOF 重写。AOF 重写会对磁盘进行大量 IO 操作，同时，fsync 又需要等到数据写到磁盘后才能返回，所以，当 AOF 重写的压力比较大时，就会导致 fsync 被阻塞。虽然 fsync 是由后台子线程负责执行的，但是，主线程会监控 fsync 的执行进度。
当主线程使用后台子线程执行了一次 fsync，需要再次把新接收的操作记录写回磁盘时，如果主线程发现上一次的 fsync 还没有执行完，那么它就会阻塞。所以，如果后台子线程执行的 fsync 频繁阻塞的话（比如 AOF 重写占用了大量的磁盘 IO 带宽），主线程也会阻塞，导致 Redis 性能变慢。如下图所示：
19.jpg
如果业务应用对延迟非常敏感，但同时允许一定量的数据丢失，那么，可以把配置项 no-appendfsync-on-rewrite 设置为 yes，如下所示：
no-appendfsync-on-rewrite yes
这个配置项设置为 yes 时，表示在 AOF 重写时，不进行 fsync 操作。也就是说，Redis 实例把写命令写到内存后，不调用后台线程进行 fsync 操作，就可以直接返回了。当然，如果此时实例发生宕机，就会导致数据丢失。反之，如果这个配置项设置为 no（也是默认配置），在 AOF 重写时，Redis 实例仍然会调用后台线程进行 fsync 操作，这就会给实例带来阻塞。
如果的确需要高性能，同时也需要高可靠数据保证，可以考虑采用高速的固态硬盘作为 AOF 日志的写入设备。
3、操作系统：swap
内存 swap 是操作系统里将内存数据在内存和磁盘间来回换入和换出的机制，涉及到磁盘的读写，所以，一旦触发 swap，无论是被换入数据的进程，还是被换出数据的进程，其性能都会受到慢速磁盘读写的影响。正常情况下，Redis 的操作是直接通过访问内存就能完成，一旦 swap 被触发了，Redis 的请求操作需要等到磁盘数据读写完成才行。而且，和我刚才说的 AOF 日志文件读写使用 fsync 线程不同，swap 触发后影响的是 Redis 主 IO 线程，这会极大地增加 Redis 的响应时间。
通常，触发 swap 的原因主要是物理机器内存不足，对于 Redis 而言，有两种常见的情况：
- Redis 实例自身使用了大量的内存，导致物理机器的可用内存不足；
- 和 Redis 实例在同一台机器上运行的其他进程，在进行大量的文件读写操作。文件读写本身会占用系统内存，这会导致分配给 Redis 实例的内存量变少，进而触发 Redis 发生 swap。
针对这个问题，我也给你提供一个解决思路：增加机器的内存或者使用 Redis 集群。
操作系统本身会在后台记录每个进程的 swap 使用情况，即有多少数据量发生了 swap。你可以先通过下面的命令查看 Redis 的进程号，这里是 5332。
redis-cli info | grep process_id
process_id: 5332
进入 Redis 所在机器的 /proc 目录下的该进程目录中:
cd /proc/5332
最后，运行下面的命令，查看该 Redis 进程的使用情况。在这儿，我只截取了部分结果：
$cat smaps | egrep '^(Swap|Size)'
Size: 584 kB
Swap: 0 kB
Size: 4 kB
Swap: 4 kB
Size: 4 kB
Swap: 0 kB
Size: 462044 kB
Swap: 462008 kB
Size: 21392 kB
Swap: 0 kB
每一行 Size 表示的是 Redis 实例所用的一块内存大小，而 Size 下方的 Swap 和它相对应，表示这块 Size 大小的内存区域有多少已经被换出到磁盘上了。如果这两个值相等，就表示这块内存区域已经完全被换出到磁盘了。作为内存数据库，Redis 本身会使用很多大小不一的内存块，所以，你可以看到有很多 Size 行，有的很小，就是 4KB，而有的很大，例如 462044KB。不同内存块被换出到磁盘上的大小也不一样。
一旦发生内存 swap，最直接的解决方法就是增加机器内存。如果该实例在一个 Redis 切片集群中，可以增加 Redis 集群的实例个数，来分摊每个实例服务的数据量，进而减少每个实例所需的内存量。
4、操作系统：内存大页
Linux 内核从 2.6.38 开始支持内存大页机制，该机制支持 2MB 大小的内存页分配，而常规的内存页分配是按 4KB 的粒度来执行的。
Redis 为了提供数据可靠性保证，需要将数据做持久化保存。这个写入过程由额外的线程执行，所以，此时，Redis 主线程仍然可以接收客户端写请求。客户端的写请求可能会修改正在进行持久化的数据。在这一过程中，Redis 就会采用写时复制机制，也就是说，一旦有数据要被修改，Redis 并不会直接修改内存中的数据，而是将这些数据拷贝一份，然后再进行修改。
如果采用了内存大页，那么，即使客户端请求只修改 100B 的数据，Redis 也需要拷贝 2MB 的大页。相反，如果是常规内存页机制，只用拷贝 4KB。两者相比，你可以看到，当客户端请求修改或新写入数据较多时，内存大页机制将导致大量的拷贝，这就会影响 Redis 正常的访存操作，最终导致性能变慢。
那该怎么办呢？很简单，关闭内存大页，就行了。首先，我们要先排查下内存大页。方法是：在 Redis 实例运行的机器上执行如下命令:
cat /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/enabled
如果执行结果是 always，就表明内存大页机制被启动了；如果是 never，就表示，内存大页机制被禁止。在实际生产环境中部署时，我建议你不要使用内存大页机制，操作也很简单，只需要执行下面的命令就可以了：
echo never /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/enabled
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