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一、前言
在互联网利用中，缓存成为高并发架构的要害组件。这篇博客次要介绍缓存应用的典型场景、实操案例剖析、Redis 应用标准及惯例 Redis 监控。
二、常见缓存比照
常见的缓存计划，有本地缓存，包含 HashMap/ConcurrentHashMap、Ehcache、Memcache、Guava Cache 等，缓存中间件包含 Redis、Tair 等。
三、Redis 应用场景
1. 计数
Redis 实现疾速计数及缓存性能。
例如：视频或直播在线观看人数，用户每播放一次，就会自增 1。
2. Session 集中管理
Session 能够存储在应用服务是 JVM 中，但这一种计划会有一致性的问题，还有高并发下，会引发 JVM 内存溢出。Redis 将用户的 Session 集中管理，这种状况下只有保障 Redis 的高可用和扩展性，每次用户更新或查问登录都间接从 Redis 中信息获取。
3. 限速
例如：业务要求用户一分钟内，只能获取 5 次验证码。
4. 排行榜
关系型数据库在排行榜方面查问速度广泛偏慢，所以能够借助 redis 的 SortedSet 进行热点数据的排序。
比方在我的项目中，如果须要统计主播的吸金排行榜，能够以主播的 id 作为 member, 当天打赏的流动礼物对应的热度值作为 score, 通过 zrangebyscore 就能够获取主播流动日榜。
5. 分布式锁
在理论的多过程并发场景下，应用分布式锁来限度程序的并发执行。多用于避免高并发场景下，缓存被击穿的可能。
分布式锁的理论就是 ” 占坑 ”，当另一个过程来执行 setnx 时，发现标识位曾经为 1，只好放弃或者期待。
四、案例解析
1、【案例】过期设置 - set 命令会去掉过期工夫
Redis 所有的数据结构，都能够设置过期工夫。如果一个字符串曾经设置了过期工夫，而后从新设置它，会导致过期工夫隐没。所以在我的项目中须要正当评估 Redis 容量，防止因为频繁 set 导致没有过期策略，间接导致内存被占满。
如下是 Redis 源码截图：
2、【案例】对于 Jedis 2.9.0 及以下版本过期设置 BUG
发现 Jedis 在进行 expiredAt 命令调用时有 bug，最终调用的是 pexpire 命令，这个 bug 会导致 key 过期工夫很长，导致 Redis 内存溢出等问题。倡议降级到 Jedis 2.9.1 及以上版本。
BinaryJedisCluster.java 源码如下：
@Override
public Long pexpireAt(final byte[] key, final long millisecondsTimestamp) {return new JedisClusterCommand<Long>(connectionHandler, maxAttempts) {
@Override
public Long execute(Jedis connection) {return connection.pexpire(key, millisecondsTimestamp); // 此处 pexpire 应该是 pexpireAt
}
}.runBinary(key);
}比照 pexpire 和 pexpireAt：
比方咱们以后应用的工夫是 2018-06-14 17:00:00，它的 unix 工夫戳为 1528966800000 毫秒，当咱们应用 PEXPIREAT 命令时，因为是过来的工夫，相应的 key 会立刻过期。
而咱们误用了 PEXPIRE 命令时，key 不会立刻过期，而是等到 1528966800000 毫秒后才过期，key 过期工夫会相当长，约几 W 天后，从而可能导致 Redis 内存溢出、服务器解体等问题。
3、【案例】缓存被击穿
缓存的 key 有过期策略，如果恰好在这个工夫点对这个 Key 有大量的并发申请，这些申请发现缓存过期个别都会从后端 DB 回源数据并回设到缓存，这个时候大并发的申请可能会霎时把后端 DB 压挂。
业界罕用优化计划有 两种：
第一种：应用分布式锁，保障高并发下，仅有一个线程能回源后端 DB。
第二种：保障高并发的申请到的 Redis key 始终是无效的，应用非用户申请回源后端，改成被动回源。个别能够应用异步工作进行缓存的被动刷新。
4、【案例】Redis-standalone 架构禁止应用非 0 库
Redis 执行命令 select 0 和 select 1 切换，造成性能损耗。
RedisTemplate 在执行 execute 办法的时候会先获取链接。
执行到 RedisConnectionUtils.java，会有一段获取链接的办法。
JedisConnectionFactory.java 会调用 JedisConnection 结构器，留神这边的 dbIndex 就是数据库编号，如：1
持续跟进 JedisConnection 代码，当抉择库大于 1 时，会有 select db 操作。如果始终应用 0 库是不须要额定执行切库命令的。晓得了第一个切库 select 1 的中央，那么 select 0 是哪来的呢？
其实客户端应用 Redis 也会是要开释链接的，只不过 RedisTemplate 曾经帮咱们主动开释了，让咱们再回到一开始 RedisTemplate 执行 execute(…)办法的中央。
上面还是 RedisConnectionUtils.java，执行链接敞开的代码。
按代码正文的意思，如果抉择库编号不为 0，spring-data-redis 框架每次都会执行重置 select 0！
笔者在 vivo 商城业务中，商品详情页接口通过下面的调优，性能进步了 3 倍多。
进一步验证数据库切换至多影响性能 3 倍左右（视具体业务而定）。
Rediscluster 集群数据库，默认 0 库，无奈抉择其余数据库，也就防止了这个问题。
5、【案例】当心工夫复杂度 o(n)Redis 命令
Redis 是单线程的，所以线程平安的。
Redis 应用非阻塞 IO，并且大部分命令的工夫复杂度 O(1)。
应用高耗时的命令是十分危险的，会占用惟一的一个线程的大量解决工夫，导致所有的申请都被拖慢。
例如：获取所有 set 汇合中的元素 smembers myset，返回指定 Hash 中所有的 member，工夫复杂度 O(N)。
缓存的 Value 汇合变大，当高并接口申请时，会从 Redis 读取相干数据，每个申请读取的工夫变长，一直的叠加，导致呈现热点 KEY 状况，Redis 某个分片处于阻塞，CPU 使用率达到 100%。
6、【案例】缓存热 key
在 Redis 中，拜访频率高的 key 称为热点 key，当某一热点 key 的申请到 Server 主机时，因为申请量特地大，导致主机资源有余，甚至宕机，影响失常的服务。
热 key 问题的产生，有如下 两种起因：
- 用户生产的数据远大于生产的数据，比方热卖商品或秒杀商品、热点新闻、热点评论等，这些典型的读多写少的场景会产生热点问题。
- 申请分片集中，超过单 Server 的性能极限，比方 固定名称 key，哈希落入一台 Server，访问量极大的状况，超过 Server 极限时，就会导致热点 Key 问题的产生。
那么在理论业务中，如何辨认到热点 key 呢？
- 凭借业务教训，进行预估哪些是热 key；
- 客户端统计收集，本地统计或者上报；
- 如果服务端有代理层，能够在代理层进行收集上报；
当咱们辨认到热 key，如何解决热 key 问题？
- Redis 集群扩容：减少分片正本，平衡读流量；
- 进一步对热 key 进行散列，比方将一个 key 备份为 key1,key2……keyN，同样的数据 N 个备份，N 个备份散布到不同分片，拜访时可随机拜访 N 个备份中的一个，进一步分担读流量。
- 应用二级缓存，即本地缓存。
当发现热 key 后，将热 key 对应数据首先加载到应用服务器本地缓存中，缩小对 Redis 的读申请。
五、Redis 标准
1、禁止应用非 database 0
阐明：
Redis-standalone 架构，禁止应用 Redis 中的其余 database。
原由：
- 为当前业务迁徙 Redis Cluster 放弃兼容性.
- 多个 database 用 select 切换时，更耗费 CPU 资源。
- 更易自动化运维治理，如 scan/dbsize 命令只用于当 database。
- 局部 Redis Clients 因线程平安问题，不反对单实例多 database。
2、Key 设计规范
按业务性能命名 key 前缀，避免 key 抵触笼罩，举荐 用冒号分隔，例如，业务名: 表名，如 live:rank:user:weekly:1:202003。
Key 的长度小于 30 个字符，Key 名字自身是 String 对象，Redis 硬编码限度最大长度 512MB。
在 Redis 缓存场景，举荐 Key 都设置 TTL 值，保障不应用的 Key 能被及时清理或淘汰。
Key 设计时禁止蕴含特殊字符，如空格、换行、单双引号以及其余转义字符。
3、Value 设计规范
单个 Value 大小必须管制 10KB 以内，单实例键个数过大，可能导致过期键的回收不及时。
set、hash、list 等简单数据类型，要尽量升高数据结构中的元素个数，倡议个数不要超过 1000。
4、关注命令工夫复杂度
举荐应用 O(1)命令，如 get scard 等。
O(N)命令关注 N 的数量，如下命令须要对 N 值在业务层面做管制。
- hgetall
- lrange
- smembers
- zrange
例如：smember 命令工夫复杂度为 O(n)，当 n 继续减少时，会导致 Redis CPU 继续飙高，阻塞其余命令的执行；
5、Pipeline 应用
阐明：
Pipeline 是 Redis 批量提交的一种形式, 也就是把多个命令操作建设一次连贯发给 Redis 去执行, 会比循环的单次提交性能更优。
Redis 客户端执行一条命令分 4 个过程：发送命令 -> 命令排队 -> 命令执行 -> 返回后果。
罕用的 mget、mset 命令，无效节约 RTT（命令执行往返工夫），但 hgetall 并没有 mhgetall，是不反对批量操作的。此时，须要应用 Pipeline 命令
例如：直播中台我的项目中，须要同时查问主播日、周、月排行榜，应用 PIPELINE 一次提交多个命令，同时返回三个榜单数据。
6、线上禁用命令
- 禁止应用 Monitor
禁止生产环境应用 monitor 命令，monitor 命令在高并发条件下，会存在内存暴增和影响 Redis 性能的隐患
- 禁止应用 Keys
keys 操作是遍历所有的 key，如果 key 十分多的状况下导致慢查问，会阻塞其余命令。所以禁止应用 keys 及 keys pattern 命令。
倡议线上应用 scan 命令代替 keys 命令。
- 禁止应用 Flushall、Flushdb
删除 Redis 中所有数据库中的所有记录，并且该命令是原子性的，不会终止执行，一旦执行，将不会执行失败。
- 禁止应用 Save
阻塞以后 redis 服务器，直到长久化操作实现为止，对于内存较大的实例会造成长时间的阻塞。
- BGREWRITEAOF
手动 AOF，手动长久化对于内存较大的实例会造成长时间的阻塞。
- Config
Config 是客户端配置形式，不利于 Redis 运维。倡议在 Redis 配置文件中设置。
六、Redis 监控
1、慢查问
办法一：slowlog 获取慢查问日志
127.0.0.1:{port}> slowlog get 5
1) 1) (integer) 47
2) (integer) 1533810300
3) (integer) 175833
4) 1) “DEL”
2) “spring:session:expirations:1533810300000”
2) 1) (integer) 46
2) (integer) 1533810300
3) (integer) 117400
4) 1) “SMEMBERS”
办法二：更全面的慢查问能够通过 CacheCloud 工具监控。
门路：” 利用列表 ”- 点击相干利用名 - 点击 ” 慢查问 ”Tab 页。
点击 ” 慢查问 ”，重点关注慢查问个数及相干命令。
2、监控 Redis 实例绑定的 CPU 外围使用率
因为 Redis 是单线程，重点监控 Redis 实例绑定的 CPU 外围使用率。
个别 CPU 资源使用率为 10% 左右，如果使用率高于 20% 时，思考是否应用了 RDB 长久化。
3、Redis 分片负载平衡
以后 redis-cluster 架构模式，3 个 master 和 3 个 Slave 组成的集群，关注 Redis-cluster 每个分片 requests 流量平衡状况；
通过命令获取：redis-cli -p{port} -h{host} –stat
个别状况，超过 12W 须要告警。
4、关注大 key BigKey
通过 Redis 提供的工具，redis-cli 定时扫描相应 Redis 大 Key，进行优化。
具体命令如下：redis-cli -h 127.0.0.1 -p {port} –bigkeys 或 redis-memory-for-key -s {IP} -p {port} XXX_KEY
个别超过 10K 为大 key，须要重点关注，倡议从业务层面优化。
5、监控 Redis 占用内存大小
Info memory 命令查看，防止在高并发场景下，因为调配的 MaxMemory 被耗尽，带来的性能问题。
重点关注 used_memory_human 配置项对应的 value 值，增量过高时，须要重点评估。
七、总结
联合具体业务个性，正当评估 Redis 所需内存容量、抉择数据类型、设置单 key 大小，能力更好地服务于业务，为业务提供高性能的保障。
作者：Jessica Chen