Redis（十二）：Redis数据倾斜及监控

1 数据倾斜

1.1 定义

对于集群系统，一般缓存是分布式的，即不同节点负责一定范围的缓存数据。我们把缓存数据分散度不够，导致大量的缓存数据集中到了一台或者几台服务节点上，称为数据倾斜。一般来说数据倾斜是由于负载均衡实施的效果不好引起的。

1.2 危害

如果发生了数据倾斜，那么保存了大量数据，或者是保存了热点数据的实例的处理压力就会增大，速度变慢，甚至还可能会引起这个实例的内存资源耗尽，从而崩溃。这是我们在应用切片集群时要避免的。

1.3 分类

• 数据量倾斜(bigkey导致倾斜)

  某个实例上正好保存了 bigkey。bigkey 的 value 值很大（String 类型），或者是 bigkey 保存了大量集合元素（集合类型），会导致这个实例的数据量增加，内存资源消耗也相应增加。

• 数据访问倾斜(读取倾斜-热key问题)

  虽然每个集群实例上的数据量相差不大，但是某个实例上的数据是热点数据，被访问得非常频繁

在 Redis（五）：常见面试题目详解 中写过关于bigkey和hotkey的生产问题，但是只治标不治本，数据倾斜还是需要监控起来，这样在生成环境遇到问题时，才不至于措手不及。

2 BigKey

2.1 定义

通常以Key的大小和Key中成员的数量来综合判定，例如：

• Key本身的数据量过大：一个String类型的Key，它的值为5 MB。

• Key中的成员数过多：一个ZSET类型的Key，它的成员数量为10,000个。

• Key中成员的数据量过大：一个Hash类型的Key，它的成员数量虽然只有1,000个但这些成员的Value（值）总大小为100 MB。

2.2 产生原因

• 在不适用的场景下使用Redis，易造成Key的value过大，如使用String类型的Key存放大体积二进制文件型数据；

• 业务上线前规划设计不足，没有对Key中的成员进行合理的拆分，造成个别Key中的成员数量过多；

• 未定期清理无效数据，造成如HASH类型Key中的成员持续不断地增加；

• 使用LIST类型Key的业务消费侧发生代码故障，造成对应Key的成员只增不减。

bigkey的产生主要是由于程序的设计不当所造成的，如以下几种常见的业务场景

• 社交类：粉丝列表，如果某些明星或者大v不精心设计下，必是bigkey。

• 统计类：例如按天存储某项功能或者网站的用户集合，除非没几个人用，否则必是bigkey。

• 缓存类：将数据从数据库load出来序列化放到redis里，这个方式经常常用，但有两个地方需要注意：第一，是不是有必要把所有字段都缓存；第二，有没有相关关联的数据。

由此可见，在程序设计中，我们要对数据量的增长和边界有一个基本性的评估，做好技术选型和技术架构。

2.3 危害

• 1.内存空间不均匀

  在集群模式中，由于bigkey的存在，会造成主机节点的内存不均匀，这样会不利于集群对内存的统一管理，存在丢失数据的隐患。

• 2.超时阻塞

  由于redis单线程的特性，操作bigkey通常比较耗时，也就意味着阻塞redis可能性越大，这样会造成客户端阻塞或者引起故障切换。慢查询通常就会有它们的身影。

• 3.网络拥塞

  bigkey也就意味着每次获取要产生的网络流量较大。假设一个bigkey为1MB，客户端每秒访问量为1000，那么每秒产生1000MB的流量，对于普通的千兆网卡(按照字节算是128MB/s)的服务器来说简直是灭顶之灾。

• 4.阻塞删除

  有个bigkey，对它设置了过期时间，当它过期后会被删除，如果使用Redis 4.0之前的版本，过期key是同步删除，就会存在阻塞redis的可能性，而且这个过期删除不会从慢查询发现（因为这个删除不是客户端产生的，是内部循环事件）。4.0之后的版本会采用异步删除。

2.4 优化方案

2.4.1 拆分Bigkey

优化Bigkey的原则就是string减少字符串长度，list、hash、set、zset等减少元素数量。当我们知道哪些key是Bigkey时，可以把单个key拆分成多个key，比如以下拆分方式可以参考。

• big list：list1、list2、...listN

• big hash：可以做二次的hash，例如hash%100

• 按照日期拆分多个：key20220310、key20220311、key202203212

如果bigkey不可避免，也要思考一下要不要每次把所有元素都取出来(例如有时候仅仅需要hmget，而不是hgetall)，删除也是一样，尽量使用优雅的方式来处理。

2.4.2 选择适合的数据类型。

例如：实体类型(要合理控制和使用数据结构，但也要注意节省内存和性能之间的平衡)

反例：

set user:1:name tom 
set user:1:age 19
set user:1:favor football </pre>

正例:

hmset user:1 name tom age 19 favor football

2.4.3 控制key的生命周期，redis不是垃圾桶

建议使用expire设置过期时间(条件允许可以打散过期时间，防止集中过期)。

2.5 监控并预警

Bigkey首先需要重源头治理，防止Bigkey的产生；其次是需要能够及时的发现，发现后及时处理。分析Bigkey的方法不少，这里介绍两种比较常用的方法，也是Daas平台分析Bigkey使用的两种方式，分别是Bigkeys命令分析法、RDB文件分析法。

2.5.1 scan命令分析

Redis4.0及以上版本提供了--Bigkeys命令，可以分析出实例中每种数据结构的top 1的Bigkey，同时给出了每种数据类型的键值个数以及平均大小。执行--Bigkeys命令时候需要注意以下几点：

• bigkeys 是以 scan 延迟计算的方式扫描所有 key，因此执行过程中不会阻塞 redis，但实例存在大量的 keys 时，命令执行的时间会很长，这种情况建议在 slave 上扫描。

• 建议在节点本机执行，这样可以减少网络开销。

• 如果没有从节点，可以使用--i参数，例如(--i 0.1 代表100毫秒执行一次)。

• --Bigkeys只能计算每种数据结构的top1，如果有些数据结构有比较多的Bigkey，是查找不出来的。

• string 类型统计的是 value 的字节数；另外 4 种复杂结构的类型统计的是元素个数，不能直观的看出 value 占用字节数(元素个数少，不一定 value 不大；元素个数多，也不一定 value 就大)，所以 --bigkeys 对分析 string 类型的大 key 是有用的，而复杂结构的类型还需要一些第三方工具。

redis-cli -h 127.0.0.1 -p 6379 -a "password" --bigkeys

2.5.2 RDB文件分析

借助开源的工具，比如rdb-tools，分析Redis实例的RDB文件，找出其中的Bigkey，这种方式需要生成RDB文件，需要注意以下几点：

• 建议在slave节点执行，因为生成RDB文件会影响节点性能。

• 需要生成RDB文件，会影响节点性能，虽然在slave节点执行，但是也是有可能造成主从中断，进而影响到master节点。

Rdbtools 是 python写的 一个第三方开源工具，用来解析 Redis 快照文件。除了解析 rdb 文件，还提供了统计单个 key 大小的工具。

1、安装

git clone https://github.com/sripathikrishnan/redis-rdb-tools
cd redis-rdb-tools sudo && python setup.py install

2、使用

从 dump.rdb 快照文件统计, 将所有 > 10kb 的 key 输出到一个 csv 文件

rdb dump.rdb -c memory --bytes 10240 -f live_redis.csv

2.5.3 使用 memory 命令查看 key 的大小（仅支持 Redis 4.0 以后的版本）

redis-cli -h 127.0.0.1 -p 6379 -a password

MEMORY USAGE keyname1
(integer) 157481

MEMORY USAGE keyname2
(integer) 312583

3 HotKey

3.1 定义

通常以其接收到的Key被请求频率来判定，例如：

• QPS集中在特定的Key：Redis实例的总QPS（每秒查询率）为10,000，而其中一个Key的每秒访问量达到了7,000。

• 带宽使用率集中在特定的Key：对一个拥有上千个成员且总大小为1 MB的HASH Key每秒发送大量的HGETALL操作请求。

• CPU使用时间占比集中在特定的Key：对一个拥有数万个成员的Key（ZSET类型）每秒发送大量的ZRANGE操作请求。

也就是说虽然每个集群实例上的数据量相差不大，但是某个实例上的数据是热点数据，被访问得非常频繁

3.2 产生原因

3.3 危害

• 占用大量的CPU资源，影响其他请求并导致整体性能降低。

• 集群架构下，产生访问倾斜，即某个数据分片被大量访问，而其他数据分片处于空闲状态，可能引起该数据分片的连接数被耗尽，新的连接建立请求被拒绝等问题。

• 在抢购或秒杀场景下，可能因商品对应库存Key的请求量过大，超出Redis处理能力造成超卖。

• 热Key的请求压力数量超出Redis的承受能力易造成缓存击穿，即大量请求将被直接指向后端的存储层，导致存储访问量激增甚至宕机，从而影响其他业务。

3.4 优化方案

3.4.1 备份热key

可以把热点数据复制多份，在每一个数据副本的 key 中增加一个随机后缀，让它和其它副本数据不会被映射到同一个 Slot 中。

这里相当于把一份数据复制到其他实例上，这样在访问的时候也增加随机前缀，将对一个实例的访问压力，均摊到其他实例上

3.4.2 本地缓存

如果我们可以预测到hotkey发生，比如秒杀这类，那我们就可以在活动上线前提前把缓存数据 写入到本地内存。

3.4.3 本地缓存+动态计算自动发现热点缓存

处理突发的hotkey就只能通过 动态计算然后缓存进行热点缓存

3.5 监控并预警

3.5.1 基于流式计算技术的缓存热点?动发现

框架如下图，具体介绍见 Redis（五）：常见面试题目详解

img

3.5.2 京东开源框架JD-hotkey

JD-hotkey框架如下图，git地址 https://gitee.com/jd-platform-opensource/hotkey

img

流程介绍:

• 客户端通过引用hotkey的client包，在启动的时候上报自己的信息给worker，同时和worker之间建立长连接。定时拉取配置中心上面的规则信息和worker集群信息。

• 客户端调用hotkey的ishot()的方法来首先匹配规则，然后统计是不是热key。

• 通过定时任务把热key数据上传到worker节点。

• worker集群在收取到所有关于这个key的数据以后（因为通过hash来决定key 上传到哪个worker的，所以同一个key只会在同一个worker节点上），在和定义的规则进行匹配后判断是不是热key，如果是则推送给客户端，完成本地缓存。

1)etcd集群 etcd作为一个高性能的配置中心，可以以极小的资源占用，提供高效的监听订阅服务。主要用于存放规则配置，各worker的ip地址，以及探测出的热key、手工添加的热key等。

2)client端jar包 就是在服务中添加的引用jar，引入后，就可以以便捷的方式去判断某key是否热key。同时，该jar完成了key上报、监听etcd里的rule变化、worker信息变化、热key变化，对热key进行本地caffeine缓存等。

3) worker端集群 worker端是一个独立部署的Java程序，启动后会连接etcd，并定期上报自己的ip信息，供client端获取地址并进行长连接。之后，主要就是对各个client发来的待测key进行累加计算，当达到etcd里设定的rule阈值后，将热key推送到各个client。

4) dashboard控制台 控制台是一个带可视化界面的Java程序，也是连接到etcd，之后在控制台设置各个APP的key规则，譬如2秒20次算热。然后当worker探测出来热key后，会将key发往etcd，dashboard也会监听热key信息，进行入库保存记录。同时，dashboard也可以手工添加、删除热key，供各个client端监听。

下面几篇文章是作者写的，对于框架理解很有意义。

京东开源热key探测（JD-hotkey）中间件单机qps 2万提升至35万实录

京东毫秒级热key探测框架设计与实践，已实战于618大促

从性能上来说，明显的可以看出开源框架JD-hotkey很优秀，只是第一个方案可以自定义开发，开源框架JD-hotkey就只能使用了。

补充

etcd简介

etcd 这个名字由两部分组成： etc 和 d ，即 UNIX/Linux操作系统的“／etc” 目录和分布式（ distributed ）首字母的“d ” 。我们都知道，／etc目录一般用于存 储 UNIX/Linux 操作系统的配置信息 因此etc和d合起来就是一个分布式的／etc 目录。etcd 的寓意是为大规模分布式系统存储配置信息。

etcd 的官方定义是一个 Go 语言编写的分布式、高可用 的用于分布式系统重要数据存储的 一致性键值存储 系统，常用于提供可靠的分布式键值（ key-value ）存储、配置共享和服务发现等 功能。 etcd 具有容错能力，对于n个节点的集群，可以在n-1/2 个节点宕机（其他节点正常） 的情况下仍继续工作。

etcd应用场景

etcd 的定位是通用的一致性 key/value 存储，但也有 服务发现和共享配置 的功能 。 因此，典型的 etcd 应用场景包括但不限于分布式 数据库、服务注册与发现 、 分布式锁 、 分布式消息、队列 、 分布式系统选主等 。 etcd 的定位是通用的一致性 key/value 存储，同时也面向服务注册与发现的应用 场景 。

etcd vs Zookeeper

Zoo Keeper 的主要优势是其具有成熟、健壮以及丰 富 的特性，然而，它也 有自己的缺点，具体如下：

• 复杂 。 ZooKeeper 的部署维护比较复杂；Paxos 强一致性算法也复杂难懂；使用也比较复杂，需要安装客户端，官方 只提供了 Java 和 C 两种语言的接口

• Java 编写，Java 本身就偏向重型应用依赖较多，对资源的占用也比较高

• 发展缓慢 ,Apache 基金会庞大的结构和松散的管理导致项目发 展缓慢

与 ZooKeeper 相比，ETCD更简单，安 装、部署和使用更加容易，并且 etcd 的某些功能是 ZooKeeper 所没有的,比如：

• etcd 更加稳定可靠，它的唯一目标就是把分布式一致性 KV 存储做到极 致，所以它更注重稳定性和扩展性

• 服务发现，etcd 使用的是节点租约（ Lease ），并且支持Group （多 key ）；而 ZooKeeper 使用的是临时节点，临时节点存在很多问题

• etcd 支持稳定的 watch ，而不是 ZooKeeper 一样简单的单次触发式watch，很多调度系统需要得到完整节点历史记录，etcd 可以存储数十万个历史变更

• etcd 支持 MVCC （多版本并发控制），因为有协同系统需要无锁操作

• etcd 支持更大的数据规模 ， 支持存储百万到千万级别的 key

• etcd 的性能更好 。 在 一 个由 3 台 8 核节点组成的云 服务器上， etcd d 版本可以做到每秒数万次的写操作和数十万次的读操作

• 数据持久化。etcd默认数据一更新就进行持久化。

最后，etcd作为一个年轻的项目，正在高速迭代和开发中，这既是一个优点，也是一个缺点。优点在于它的未来具有无限的可能性，缺点是版本的迭代导致其使用的可靠性无法保证，无法得到大项目长时间使用的检验。然而，目前CoreOS、Kubernetes和Cloudfoundry等知名项目均在生产环境中使用了etcd，所以总的来说，etcd值得你去尝试。

JD-hotkey 为什么用etcd，而不是zookeeper

etcd里面具备一个过期删除的功能，你可以设置一个key几秒过期，etcd会自动删除它，删除时还会给所有监听的client回调，这个功能在框架里是在用的，别的配置中心没有这个功能。

etcd的性能和稳定性、低负载等各项指标非常优异，完全满足我们的需求。而zk在很多暴涨流量前和高负载下，并不是那么稳定，性能也差的远。