学习下Redis内存模型

作者：京东零售 吴佳

前言

redis，对于一个java开发工程师来讲，其实算不得什么复杂新奇的技术，但可能也很少人去深入了解学习它的底层的一些东西。下面将通过对内存统计、内存划分、存储细节、对象类型&内部编码这四个模块来学习学习redis的内存模型，手字笔录，潜心修行。

一、redis的内存统计

info memory 命令查看内存使用情况：服务器基本信息、CPU、内存、持久化、客户端连接信息等等，如下图：

（1）used_memory和used_memory_rss

used_memory：Redis分配器分配的内存总量 + 虚拟内存（磁盘）

used_memory_rss：Redis进程占据操作系统的内存 + 进程运行本身需要的内存 + 内存碎片等 （*：注意 used_memory_rss 不包括虚拟内存）

两者区别：

①面向角度：used_memory: Redis角度 used_memory_rss：操作系统角度

②大小不一定是后者大于前者：内存碎片和Redis进程运行需要占用内存，使得前者可能比后者小，另一方面虚拟内存的存在，使得前者可能比后者大

（2）mem_fragmentation_ratio

内存碎片比率， 等于 used_memory_rss / used_memory

mem_fragmentation_ratio > 1 : 值越大，内存碎片比例越大

mem_fragmentation_ratio < 1 : 说明Redis使用了虚拟内存

*:由于虚拟内存的媒介是磁盘，比内存速度要慢很多，当这种情况出现时，应该及时排查，如果内存不足应该及时处理，如增加Redis节点、增加Redis服务器的内存、优化应用等。

正常情况下：mem_fragmentation_ratio = 1.03左右 （健康：对于jemalloc来说）

上面的情况：没有向Redis中存入数据，Redis进程本身运行的内存使得used_memory_rss 比used_memory大得多

（3）mem_allocator：

Redis使用的内存分配器，在编译时指定，可以是 libc 、jemalloc或者tcmalloc，默认是jemalloc。

（4）used_memory_peak：

Redis的内存消耗峰值

（5）used_memory_human和used_memory_peak_human：

字面含义，以人类阅读的方式返回。

二、redis的内存划分

数据：最主要的部分，会统计在used_memory。实际上，在Redis内部，每种类型可能有2种或更多的内部编码实现。此外，Redis在存储对象时，并不是直接将数据扔进内存，而是会对对象进行各种包装：如RedisObject、SDS等。

进程本身内存：Redis主进程本身运行肯定需要占用内存，如代码、常量池等等。这部分内存大约几兆，在大多数生产环境中与Redis数据占用的内存相比可以忽略。这部分内存不是由jemalloc分配，因此不会统计在used_memory中。

缓冲内存：包含客户端缓冲区、复制积压缓冲区、AOF缓冲区

客户端缓冲区：存储客户端连接的输入输出缓冲

复制积压缓冲区：用于部分复制功能

AOF缓冲区：用于在进行AOF重写时，保存最近的写入命令

内存碎片：内存碎片是Redis在分配、回收物理内存过程中产生的。

三、redis的数据存储细节

当我们执行一个redis指令，比如：set hello world，redis底层存储到底干了什么？

上面就涉及到两个概念：jemalloc和RedisObject

（1）jemalloc

内存分配器：可以是 libc 、jemalloc或者tcmalloc，默认jemalloc

jemalloc内存划分：小、大、巨大，每个又分许多小内存块单位

（例如，如果需要存储大小为130字节的对象，jemalloc会将其放入160字节的内存单元中。）

（2）RedisObject（核心数据结构）

redis的五种类型都是通过RedisObject存储，Redis对象的 类型、内部编码、内存回收、共享对象等功能都需要RedisObject对象支持。

typedef struct redisObject{
    unsigned type:4;
    unsigned encoding:4;
    unsigned lru:REDIS_LRU_BITS; /* lru time (relative to server.lruclock) */       
    int refcount;
    void *ptr;
}

type：表示对象的数据类型，占4bit。

encoding：表示对象内部的编码，占4bit，对于redis的每种数据类型，都至少有俩

种内部编码。比如字符串类型有：int、embstr、raw。

lru：记录的是对象最后一次被命令程序访问的时间，占据的比特数不同的版本有所不同（如4.0版本占24比特，2.6版本占22比特）。

refcount:

1、概念：refcount记录的是该对象被引用的次数，类型目前仅为整型。

2、作用：refcount的作用，主要在于对象的引用计数和内存回收：

①当创建新对象时，refcount初始化为1；

②当有新程序使用该对象时，refcount加1；

③当对象不再被一个新程序使用时，refcount减1；

④当refcount变为0时，对象占用的内存会被释放。

3、为什么只支持整数值的字符串对象？对内存和CPU（时间）的平衡：

①对于整数值，判断操作复杂度为O(1)；

②对于普通字符串，判断复杂度为O(n)；

③而对于哈希、列表、集合和有序集合，判断的复杂度为O(n^2)。

4、目前实现：Redis服务器在初始化时，会创建10000个字符串对象，值分别是0~9999的整数值；10000这个数字可以通过调整参数REDIS_SHARED_INTEGERS（4.0中是 OBJ_SHARED_INTEGERS）的值进行改变。（共享对象的引用次数可以通过object refcount命令查看：）

ptr:ptr指针指向具体的数据，如前面的例子中，set hello world，ptr指向包含字符串world的SDS

（3）SDS

1、概念：Redis没有直接使用C字符串(即以空字符‘\0’结尾的字符数组)作为默认的字符串表示，而是使用了SDS。SDS是简单动态字符串(Simple Dynamic String)的缩写。

2、结构：

3、相关计算：

*：buf数组的长度 = free+len+1（其中1表示字符串结尾的空字符）

一个SDS结构占据的空间 = free所占长度+len所占长度+ buf数组的长度=4+4+free+len+1=free+len+9。

4、加“\0”目的：为了简单字符串能够调用c字符串部分函数

四、redis的对象类型&内部编码

（1）字符串

1、字符串长度不超过512MB

2、内部编码有三种： int、embstr、raw

3、编码转换关系：

int：整形

embstr：<=39字节的字符串

raw：>39字节的字符串

4、embstr和raw的区别：

①embstr都使用redisObject和sds结构存储

②emstr创建只分配一次内存空间（redisObject和sds一起分配，因为它是连续的）

缺点：创建和删除都需要整个redisObject和sds重新分配空间，所以emstr实现为只读。

③raw需要分配两次

5、当emstr被修改时，会先变成raw，再修改，无论是否达到39字节

这也是为了避免创建整个redisObject和sds

（2）列表

1、内部编码：ziplist和linkedlist：（每个节点指向的是redisObject）

2、压缩列表：节约空间，连续内存块

3、编码转换：什么情况下使用压缩列表？

①列表元素 < 512个

②列表中所有字符串对象都不足64字节（字符串长度）

（3）hash： 内层哈希和外层哈希

内层哈希：ziplist、hashtable

外层哈希：hashtable