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learn.lianglianglee.com/专栏/300分钟吃透分布式缓存-完/29 从容应对亿级QPS访问，Redis还缺少什么？.md.html
周伟 d9c5ffd627 u
2022-05-11 19:04:14 +08:00

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<p id="tip" align="center"></p>
<div><h1>29 从容应对亿级QPS访问，Redis还缺少什么？</h1>
<p>众所周知，Redis 在线上实际运行时，面对海量数据、高并发访问，会遇到不少问题，需要进行针对性扩展及优化。本课时，我会结合微博在使用 Redis 中遇到的问题，来分析如何在生产环境下对 Redis 进行扩展改造，以应对百万级 QPS。</p>
<h3>功能扩展</h3>
<p>对于线上较大流量的业务，单个 Redis 实例的内存占用很容易达到数 G 的容量，对应的 aof 会占用数十 G 的空间。即便每天流量低峰时间，对 Redis 进行 rewriteaof，减少数据冗余，但由于业务数据多，写操作多，aof 文件仍然会达到 10G 以上。</p>
<p>此时，在 Redis 需要升级版本或修复 bug 时，如果直接重启变更，由于需要数据恢复，这个过程需要近 10 分钟的时间，时间过长，会严重影响系统的可用性。面对这种问题，可以对 Redis 扩展热升级功能，从而在毫秒级完成升级操作，完全不影响业务访问。</p>
<p><img src="assets/Cgq2xl3nTi6ATt3OAAB8xLAMsH8657.png" alt="img" /></p>
<p>热升级方案如下，首先构建一个 Redis 壳程序，将 redisServer 的所有属性（包括redisDb、client等）保存为全局变量。然后将 Redis 的处理逻辑代码全部封装到动态连接库 so 文件中。Redis 第一次启动，从磁盘加载恢复数据，在后续升级时，通过指令，壳程序重新加载 Redis 新的 so 文件，即可完成功能升级，毫秒级完成 Redis 的版本升级。而且整个过程中，所有 Client 连接仍然保留，在升级成功后，原有 Client 可以继续进行读写操作，整个过程对业务完全透明。</p>
<p>在 Redis 使用中，也经常会遇到一些特殊业务场景，是当前 Redis 的数据结构无法很好满足的。此时可以对 Redis 进行定制化扩展。可以根据业务数据特点，扩展新的数据结构，甚至扩展新的 Redis 存储模型，来提升 Redis 的内存效率和处理性能。</p>
<p><img src="assets/Cgq2xl3nTi-AG3PqAAAzCoYX72M095.png" alt="img" /></p>
<p>在微博中，有个业务类型是关注列表。关注列表存储的是一个用户所有关注的用户 uid。关注列表可以用来验证关注关系，也可以用关注列表，进一步获取所有关注人的微博列表等。由于用户数量过于庞大，存储关注列表的 Redis 是作为一个缓存使用的，即不活跃的关注列表会很快被踢出 Redis。在再次需要这个用户的关注列表时，重新从 DB 加载，并写回 Redis。关注列表的元素全部 long，最初使用 set 存储，回种 set 时，使用 sadd 进行批量添加。线上发现，对于关注数比较多的关注列表，比如关注数有数千上万个用户，需要 sadd 上成千上万个 uid，即便分几次进行批量添加，每次也会消耗较多时间，数据回种效率较低，而且会导致 Redis 卡顿。另外，用 set 存关注列表，内存效率也比较低。</p>
<p>于是，我们对 Redis 扩展了 longset 数据结构。longset 本质上是一个 long 型的一维开放数组。可以采用 double-hash 进行寻址。</p>
<p><img src="assets/CgpOIF3nTi-ANs20AABZa3pOh28323.png" alt="img" /></p>
<p>从 DB 加载到用户的关注列表，准备写入 Redis 前。Client 首先根据关注的 uid 列表，构建成 long 数组的二进制格式，然后通过扩展的 lsset 指令写入 Redis。Redis 接收到指令后，直接将 Client 发来的二进制格式的 long 数组作为 value 值进行存储。</p>
<p>longset 中的 long 数组，采用 double-hash 进行寻址，即对每个 long 值采用 2 个哈希函数计算，然后按 (h1 + n*h2)% 数组长度 的方式，确定 long 值的位置。n 从 0 开始计算，如果出现哈希冲突，即计算的哈希位置，已经有其他元素，则 n 加 1，继续向前推进计算，最大计算次数是数组的长度。</p>
<p>在向 longset 数据结构不断增加 long 值元素的过程中，当数组的填充率超过阀值，Redis 则返回 longset 过满的异常。此时 Client 会根据最新全量数据，构建一个容量加倍的一维 long 数组，再次 lsset 回 Redis 中。</p>
<p><img src="assets/Cgq2xl3nTi-AQhi1AABe70OR04g550.png" alt="img" /></p>
<p>在移动社交平台中，庞大的用户群体，相互之间会关注、订阅，用户自己会持续分享各种状态，另外这些状体数据会被其他用户阅读、评论、扩散及点赞。这样，在用户维度，就有关注数、粉丝数、各种状态行为数，然后用户每发表的一条 feed、状态，还有阅读数、评论数、转发数、表态数等。一方面会有海量 key 需要进行计数，另外一方面，一个 key 会有 N 个计数。在日常访问中，一次查询，不仅需要查询大量的 key，而且对每个 key 需要查询多个计数。</p>
<p>以微博为例，历史计数高达千亿级，而且随着每日新增数亿条 feed 记录，每条记录会产生 4~8 种计数，如果采用 Redis 的计数，仅仅单副本存储，历史数据需要占用 5~6T 以上的内存，每日新增 50G 以上，如果再考虑多 IDC、每个 IDC 部署 1 主多从，占用内存还要再提升一个数量级。由于微博计数，所有的 key 都是随时间递增的 long 型值，于是我们改造了 Redis 的存储结构。</p>
<p>首先采用 cdb 分段存储计数器，通过预先分配的内存数组 Table 存储计数，并且采用 double hash 解决冲突，避免 Redis 实现中的大量指针开销。 然后，通过 Schema 策略支持多列，一个 key id 对应的多个计数可以作为一条计数记录，还支持动态增减计数列，每列的计数内存使用精简到 bit。而且，由于 feed 计数冷热区分明显，我们进行冷热数据分离存储方案，根据时间维度，近期的热数据放在内存，之前的冷数据放在磁盘， 降低机器成本。</p>
<p>关于计数器服务的扩展，后面的案例分析课时，我会进一步深入介绍改造方案。</p>
<p><img src="assets/CgpOIF3nTi-ACqjuAAANlz-bKIw421.png" alt="img" /></p>
<p>线上 Redis 使用，不管是最初的 sync 机制，还是后来的 psync 和 psync2，主从复制都会受限于复制积压缓冲。如果 slave 断开复制连接的时间较长，或者 master 某段时间写入量过大，而 slave 的复制延迟较大，slave 的复制偏移量落在 master 的复制积压缓冲之外，则会导致全量复制。</p>
<h3>完全增量复制</h3>
<p>于是，微博整合 Redis 的 rdb 和 aof 策略，构建了完全增量复制方案。</p>
<p><img src="assets/Cgq2xl3nTi-AMYHHAABrLF_9OHw108.png" alt="img" /></p>
<p>在完全增量方案中，aof 文件不再只有一个，而是按后缀 id 进行递增，如 aof.00001、aof.00002，当 aof 文件超过阀值，则创建下一个 id 加 1 的文件，从而滚动存储最新的写指令。在 bgsave 构建 rdb 时，rdb 文件除了记录当前的内存数据快照，还会记录 rdb 构建时间，对应 aof 文件的 id 及位置。这样 rdb 文件和其记录 aof 文件位置之后的写指令，就构成一份完整的最新数据记录。</p>
<p>主从复制时，master 通过独立的复制线程向 slave 同步数据。每个 slave 会创建一个复制线程。第一次复制是全量复制，之后的复制，不管 slave 断开复制连接有多久，只要 aof 文件没有被删除，都是增量复制。</p>
<p>第一次全量复制时，复制线程首先将 rdb 发给 slave，然后再将 rdb 记录的 aof 文件位置之后的所有数据，也发送给 slave，即可完成。整个过程不用重新构建 rdb。</p>
<p><img src="assets/CgpOIF3nTjCAXTypAABrLF_9OHw277.png" alt="img" /></p>
<p>后续同步时，slave 首先传递之前复制的 aof 文件的 id 及位置。master 的复制线程根据这个信息，读取对应 aof 文件位置之后的所有内容，发送给 slave，即可完成数据同步。</p>
<p>由于整个复制过程，master 在独立复制线程中进行，所以复制过程不影响用户的正常请求。为了减轻 master 的复制压力，全增量复制方案仍然支持 slave 嵌套，即可以在 slave 后继续挂载多个 slave，从而把复制压力分散到多个不同的 Redis 实例。</p>
<h3>集群管理</h3>
<p><img src="assets/Cgq2xl3nTjCAd6C9AADiZzQzf2s186.png" alt="img" /></p>
<p>前面讲到，Redis-Cluster 的数据存储和集群逻辑耦合，代码逻辑复杂易错，存储 slot 和 key 的映射需要额外占用较多内存，对小 value 业务影响特别明显，而且迁移效率低，迁移大 value 容易导致阻塞，另外，Cluster 复制只支持 slave 挂在 master 下，无法支持 需要较多slave、读 TPS 特别大的业务场景。除此之外，Redis 当前还只是个存储组件，线上运行中，集群管理、日常维护、状态监控报警等这些功能，要么没有支持，要么支持不便。</p>
<p>因此我们也基于 Redis 构建了集群存储体系。首先将 Redis 的集群功能剥离到独立系统，Redis 只关注存储，不再维护 slot 等相关的信息。通过新构建的 clusterManager 组件，负责 slot 维护，数据迁移，服务状态管理。</p>
<p>Redis 集群访问可以由 proxy 或 smart client 进行。对性能特别敏感的业务，可以通过 smart client 访问，避免访问多一跳。而一般业务，可以通过 Proxy 访问 Redis。</p>
<p>业务资源的部署、Proxy 的访问，都通过配置中心进行获取及协调。clusterManager 向配置中心注册业务资源部署，并持续探测服务状态，根据服务状态进行故障转移，切主、上下线 slave 等。proxy 和 smart client 从配置中心获取配置信息，并持续订阅服务状态的变化。</p>
</div>
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