Redis性能篇之删除数据后，为什么内存占用率还是很高？
Redis性能篇之删除数据后，为什么内存占用率还是很高？
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- 引言
- 什么是内存碎片
- 内存碎片是如何形成的
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- 内因：内存分配器的分配策略
- 外因：键值对大小不一样和删改操作
- 如何判断是否有内存碎片
- 如何清理内存碎片
引言
在使用 Redis 时，我们经常会遇到这样一个问题：明明做了数据删除，数据量已经不大了，为什么使用 top 命令查看时，还会发现 Redis 占用了很多内存呢？
实际上，这是因为，当数据删除后，Redis 释放的内存空间会由内存分配器管理，并不会立即返回给操作系统。所以，操作系统仍然会记录着给 Redis 分配了大量内存。
但是，这往往会伴随一个潜在的风险点：Redis 释放的内存空间可能并不是连续的，那么，这些不连续的内存空间很有可能处于一种闲置的状态。这就会导致一个问题：虽然有空闲空间，Redis 却无法用来保存数据，不仅会减少 Redis 能够实际保存的数据量，还会降低 Redis 运行机器的成本回报率。
什么是内存碎片
通常情况下，内存空间闲置，往往是因为操作系统发生了较为严重的内存碎片。那么，什么是内存碎片呢？
虽然操作系统的剩余内存空间总量足够，但是，应用申请的是一块连续地址空间的 N 字节，但在剩余的内存空间中，没有大小为 N 字节的连续空间了，那么，这些剩余空间就是内存碎片。
内存碎片是如何形成的
内存碎片的形成有内因和外因两个层面的原因。简单来说，内因是操作系统的内存分配机制，外因是 Redis 的负载特征。
内因：内存分配器的分配策略
内存分配器一般是按固定大小来分配内存，而不是完全按照应用程序申请的内存空间大小给程序分配。Redis 可以使用 libc、jemalloc、tcmalloc 多种内存分配器来分配内存，默认使用jemalloc。
jemalloc 的分配策略之一，是按照一系列固定的大小划分内存空间，例如 8 字节、16 字节、32 字节、48 字节，…, 2KB、4KB、8KB 等。当程序申请的内存最接近某个固定值时，jemalloc 会给它分配相应大小的空间。
这样的分配方式本身是为了减少分配次数。例如，Redis 申请一个 20 字节的空间保存数据，jemalloc 就会分配 32 字节，此时，如果应用还要写入 10 字节的数据，Redis 就不用再向操作系统申请空间了，因为刚才分配的 32 字节已经够用了，这就避免了一次分配操作。
如果 Redis 每次向分配器申请的内存空间大小不一样，这种分配方式就会有形成碎片的风险，而这正好来源于 Redis 的外因了。
外因：键值对大小不一样和删改操作
- 外因一：Redis 通常作为共用的缓存系统或键值数据库对外提供服务，所以，不同业务应用的数据都可能保存在 Redis 中，这就会带来不同大小的键值对。这样一来，Redis 申请内存空间分配时，本身就会有大小不一的空间需求。
内存分配器只能按固定大小分配内存，所以，分配的内存空间一般都会比申请的空间大一些，不会完全一致，这本身就会造成一定的碎片，降低内存空间存储效率。
- 外因二：这些键值对会被修改和删除，这会导致空间的扩容和释放。具体来说，一方面，如果修改后的键值对变大或变小了，就需要占用额外的空间或者释放不用的空间。另一方面，删除的键值对就不再需要内存空间了，此时，就会把空间释放出来，形成空闲空间。
一开始，应用 A、B、C、D 分别保存了 3、1、2、4 字节的数据，并占据了相应的内存空间。然后，应用 D 删除了 1 个字节，这个 1 字节的内存空间就空出来了。紧接着，应用 A修改了数据，从 3 字节变成了 4 字节。为了保持 A 数据的空间连续性，操作系统就需要把B 的数据拷贝到别的空间，比如拷贝到 D 刚刚释放的空间中。此时，应用 C 和 D 也分别删除了 2 字节和 1 字节的数据，整个内存空间上就分别出现了 2 字节和 1 字节的空闲碎片。如果应用 E 想要一个 3 字节的连续空间，显然是不能得到满足的。因为，虽然空间总量够，但却是碎片空间，并不是连续的。
如何判断是否有内存碎片
Redis 是内存数据库，内存利用率的高低直接关系到 Redis 运行效率的高低。为了让用户能监控到实时的内存使用情况，Redis 自身提供了 INFO 命令，可以用来查询内存使用的详细信息：
INFO memory
# Memory
used_memory:1073741736
used_memory_human:1024.00M
used_memory_rss:1997159792
used_memory_rss_human:1.86G
…
mem_fragmentation_ratio:1.86
这里有一个 mem_fragmentation_ratio 的指标，它表示的就是 Redis 当前的内存碎片率。那么，这个碎片率是怎么计算的呢？其实，就是上面的命令中的两个指标used_memory_rss 和 used_memory 相除的结果。
//used_memory_rss 是操作系统实际分配给 Redis 的物理内存空间，里面就包含了碎片；
//而 used_memory 是 Redis 为了保存数据实际申请使用的空间。
mem_fragmentation_ratio = used_memory_rss/ used_memory
例如，Redis 申请使用了 100 字节（used_memory），操作系统实际分配了 128 字节（used_memory_rss），此时，mem_fragmentation_ratio 就是1.28。
- mem_fragmentation_ratio 大于 1 但小于 1.5。这种情况是合理的。这是因为，刚才我介绍的那些因素是难以避免的。毕竟，内因的内存分配器是一定要使用的，分配策略都是通用的，不会轻易修改；而外因由 Redis 负载决定，也无法限制。所以，存在内存碎片也是正常的。
- mem_fragmentation_ratio 大于 1.5 。这表明内存碎片率已经超过了 50%。一般情况下，这个时候，我们就需要采取一些措施来降低内存碎片率了。
如何清理内存碎片
从 4.0-RC3 版本以后，Redis 自身提供了一种内存碎片自动清理的方法，我们先来看这个方法的基本机制。内存碎片清理，简单来说，就是“搬家让位，合并空间”。
当有数据把一块连续的内存空间分割成好几块不连续的空间时，操作系统就会把数据拷贝到别处。此时，数据拷贝需要能把这些数据原来占用的空间都空出来，把原本不连续的内存空间变成连续的空间。
碎片清理是有代价的：
- 操作系统需要把多份数据拷贝到新位置，把原有空间释放出来，这会带来时间开销。因为 Redis 是单线程，在数据拷贝时，Redis 只能等着，这就导致 Redis 无法及时处理请求，性能就会降低。
- 而且，有的时候数据拷贝还需要注意顺序，就像刚刚说的清理内存碎片的例子，操作系统需要先拷贝 D，并释放 D的空间后，才能拷贝 B。这种对顺序性的要求，会进一步增加 Redis 的等待时间，导致性能降低。
这就要提到，Redis 专门为自动内存碎片清理功机制设置的参数了。我们可以通过设置参数，来控制碎片清理的开始和结束时机，以及占用的 CPU 比例，从而减少碎片清理对 Redis 本身请求处理的性能影响。
Redis 需要启用自动内存碎片清理，可以把 activedefrag 配置项设置为 yes：
config set activedefrag yes
这个命令只是启用了自动清理功能，但是，具体什么时候清理，会受到下面这两个参数的控制。这两个参数分别设置了触发内存清理的一个条件，如果同时满足这两个条件，就开始清理。在清理的过程中，只要有一个条件不满足了，就停止自动清理。
- active-defrag-ignore-bytes 100mb：表示内存碎片的字节数达到 100MB 时，开始清理；
- active-defrag-threshold-lower 10：表示内存碎片空间占操作系统分配给 Redis 的总空间比例达到 10% 时，开始清理。
为了尽可能减少碎片清理对 Redis 正常请求处理的影响，自动内存碎片清理功能在执行时，还会监控清理操作占用的 CPU 时间，而且还设置了两个参数，分别用于控制清理操作占用的 CPU 时间比例的上、下限，既保证清理工作能正常进行，又避免了降低 Redis 性能。
- active-defrag-cycle-min 25： 表示自动清理过程所用 CPU 时间的比例不低于25%，保证清理能正常开展；
- active-defrag-cycle-max 75：表示自动清理过程所用 CPU 时间的比例不高于75%，一旦超过，就停止清理，从而避免在清理时，大量的内存拷贝阻塞 Redis，导致响应延迟升高。
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