Redis 記憶體壓縮實戰，學習了！

作者：Xie Zefan

來源：https://xiezefan.me/2017/05/01/redis_in_action_ziplist/

在討論Redis記憶體壓縮的時候，我們需要了解一下幾個Redis的相關知識，

壓縮串列 ziplist

Redis的ziplist是用一段連續的記憶體來存盤串列資料的一個資料結構，它的結構示例如下圖

壓縮串列組成示例--截圖來自《Redis設計與實作》

1. zlbytes: 記錄整個壓縮串列使用的記憶體大小
2. zltail: 記錄壓縮串列表尾距離起始位置有多少位元組
3. zllen: 記錄壓縮串列節點數量，值得注意的一點是，因為它只占了2個位元組，所以最大值只能到65535，這意味著壓縮串列長度大于65535的時候，就只能通過遍歷整個串列來計算長度了
4. zleng: 壓縮串列末端標志位，固定值為OxFF
5. entry1-N: 壓縮串列節點, 具體結構如下圖

壓縮串列節點組成示例--截圖來自《Redis設計與實作》

其中

1. previous_entry_length: 上一個節點的長度
2. encoding: content的編碼以及長度
3. content: 節點資料

當我們查找一個節點的時候，主要進行一下操作:

1. 根據zltail獲取最后一個節點的位置
2. 判斷當前節點是否是目標節點
3. 如果是，則回傳資料
4. 如果不是，則根據previous_entry_length計算上一個節點的起始位置，然后重新進行步驟2判斷

通過上述的描述，我們可以知道，ziplist每次資料更新的復雜度大約是O(N)，因為它需要對N個節點進行記憶體重分配，查找一個資料的時候，復雜度是O(N)，最壞情況下需要遍歷整個串列，

什么情況下會使用到ziplist呢？

Redis會使用到ziplist的資料結構是Hash與List，

Hash結構使用ziplist作為底層存盤的兩個條件是:

1. 所有的鍵與值的字串長度都小于64位元組的時候
2. 鍵與值對資料小于512個

只要上述條件任何一個不滿足，Redis就會自動將這個Hash物件從ziplist轉換成hashtable，但這兩個閾值可以通過修改組態檔中的hash-max-ziplist-value與hash-max-ziplist-entries來變更，

List結構使用ziplist的條件與Hash結構一樣，當條件不滿足的時候，會從ziplist轉換成linkedlist，同樣我們可以修改list-max-ziplist-value與hash-max-ziplist-entries來使用不同的閾值，

為什么Hash與List會使用ziplist來存盤資料呢？

因為

1. ziplist會比hashtable與ziplist節省跟多的記憶體
2. 記憶體中以連續塊方式保存的資料比起hashtable與linkedlist使用的鏈表可以更快的載入快取中
3. 當ziplist的長度比較小的時候，從ziplist讀寫資料的效率比hashtable或者linkedlist的差異并不大，

本質上，使用ziplist就是以時間換空間的一種優化，但是他的時間損壞小到幾乎可以忽略不計，但卻能帶來可觀的記憶體減少，所以滿足條件時，Redis會使用ziplist作為Hash與List的存盤結構，

實戰

我們先拋出問題，在廣告程式化交易的程序中，我們經常需要為一個廣告投放計劃定制人群包，其存盤的形式如下:

人群包ID => [設備ID_1, 設備ID_2 ... 設備ID_N]

其中，人群包ID是Long型整數，設備ID是經過MD5處理，長度為32，
在業務場景中，我們需要判斷一個設備ID是否在一個人群包中，來決定是否投放廣告，

在傳統的使用Redis的場景, 我們可以使用標準的KV結構來存盤定向包資料，則存盤方式如下:

{人群包ID}_{設備ID_1} => true
{人群包ID}_{設備ID_2} => true

如果我們想使用ziplist來繼續記憶體壓縮的話，我們必須保證Hash物件的長度小于512，并且鍵值的長度小于64位元組，我們可以將KV結構的資料，存盤到預先分配好的bucket中，

我們先預估下，整個Redis集群預計容納的資料條數為10億，那么Bucket的數量的計算公式如下:

bucket_count = 10億 / 512 = 195W

那么我們大概需要200W個Bucket(預估Bucket數量需要多預估一點，以防觸發臨界值問題）
我們先以下公式計算BucketID:

bucket_id = CRC32(人群包ID + "_" + 設備ID) % 200W

那么資料在Redis的存盤結構就變成

bucket_id => {
   {人群包ID}_{設備ID_1} => true
   {人群包ID}_{設備ID_2} => true
}

這樣我們保證每個bucket中的資料項都小于512，并且長度均小于64位元組，

我們以2000W資料進行測驗，前后兩者的記憶體使用情況如下:

在這里需要額外引入一個概念 – 記憶體碎片率，

記憶體碎片率 = 作業系統給Redis分配的記憶體 / Redis存盤物件占用的記憶體

因為壓縮串列在更新節點的時候，經常需要進行記憶體重分配，所以導致比較高的記憶體碎片率，我們在做技術方案比較的時候，記憶體碎片率也是非常需要關注的指標之一，

但有很多手段可以減少記憶體碎片率，比如記憶體對其，甚至更極端的直接重做整個Redis記憶體（利用快斬訓者從節點來重做記憶體）都能有效的減低記憶體碎片率，

我們在本次實驗中，因為存盤的數值比較大（單個KEY約34個位元組），所以實際節省記憶體不是很多，但依然能節約35%-50%的記憶體使用，

在實際的生產環境中，我們根據應用場景合理的設計壓縮存盤結構，部分業務甚至能達到節約70%的記憶體使用的效果，

壓縮串列能節省多少記憶體？

我們現在知道壓縮串列是通過將節點緊湊的排列在記憶體中，從而節省掉記憶體的，但他究竟節省了哪些記憶體從而能達到驚人的壓縮率呢？

首先為了明白這個細節，我們需要知道普通Key-Value結構在Redis中是如何存盤的，

typedef struct redisObject {
    unsigned type:4;        // 物件的型別
    unsigned encoding:4;    // 物件的編碼
    unsigned lru:LRU_BITS;  // LRU型別
    int refcount;           // 參考計數
    void *ptr;              // 指向底層資料結構的指標
} robj;

Redis所有的物件都是通過上述結構來存盤, 假設我存盤Hello=>World這樣一個健值對到Redis中，除了存盤本身鍵值的資料外，還需要額外的24個位元組來存盤redisObject物件，

而Redis存盤字串使用的SDS資料結構

struct sdshdr8 {
    uint8_t len;        // 所保存字串的長度
    uint8_t alloc;      // 分配的記憶體數量
    unsigned char flags;// 標志位，用于判斷sdshdr型別
    char buf[];         // 位元組陣列，用戶保存字串
};

假如字串的長度無法用unsigned int8來表示的話，Redis會使用能表達更大長度的sdshdr16結構來存盤字串，

并且，為了減少修改字串帶來的記憶體重分類問題，Redis會進行記憶體預分配，所以可能你僅僅為了保存五個字符，但Redis會為你預分配10 bytes的記憶體，

這意味著當我們存盤Hello這個字串的時候，你需要額外的3個以上的位元組，

Oh~~~，我只想保存Hello=>World這十個字符的資料，竟然需要的30~40個位元組的資料來存盤額外的資訊，比存盤資料本身的大小還多一些，這還沒包括Redis維護字典表所需要的額外的記憶體空間，

那么假設我們用ziplist來存盤這個資料，我們僅僅需要額外的2個位元組用于存盤previous_entry_length與encoding，具體的計算方式可以參考Redis原始碼或者《Redis設計與實作》第一部分第7章壓縮串列，

總結

從以上對比，我們可以看出，在存盤越小的資料的時候，使用ziplist來進行資料壓縮能得到更好的壓縮率，
但副作用也很明顯，ziplist的更新效率遠遠低于普通K-V模式，并且會造成額外的記憶體碎片率，

在Redis中存盤大量資料的實踐程序中，我們經常會做一些小技巧來盡可能壓榨Redis的存盤能力，接下來準備寫一篇Redis記憶體壓縮的小技巧，

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