Redis 6.2&7 Rehash相关优化 | 运维进阶

一、Redis rehash问题回顾

简单回顾下超出key阈值后，需要额外的hash表内存大小：

键值个数	需要额外的hash表内存大小
134,217,728	2GB
67,108,864	1GB
33,554,432	512.0MB
16,777,216	256.0MB
8,388,608	128.0MB
4,194,304	64.0MB
2,097,152	32.0MB
1,048,576	16.0MB
524,288	8.0MB

随着key个数越多，rehash需要的额外内存也越大，所带来的可用性风险(大量逐出，Redis同步)和数据丢失(逐出)风险也越高。

二、Redis 6.2&7+ Rehash相关优化

Redis 6.2后对Rehash做了相关优化：

Limit the main db dictionaries expansion to prevent key eviction (#7954)
  In the past big dictionary rehashing could result in massive data eviction.Now this rehashing is delayed (up to a limit), which can result in performance loss due to hash collisions.

简单翻译：

在大的hash表(键值数多)场景下，rehash会延迟执行防止大量数据丢失和可用性问题。

三、实验

1. 版本选择

Redis 6.0.15
Redis 7.0.11

2. 实验条件

maxmemory = 5.6GB
第一次灌入：67,100,000个key，观察内存
第二次灌入：2,000,000个key，观察可用性和逐出

3. 开始实验

(1) Redis 6.0.15

第一次灌入：67,100,000个key，观察内存：

maxmemory:         5.6GB
used_memory_human: 5.5GB
dbsize:            67,100,000

第二次灌入：2,000,000个key，观察可用性和逐出

客户端执行超时，超时近30秒以上，redis-cli --latency-history

min: 0, max: 1, avg: 0.06 (1485 samples) -- 15.01 seconds range
min: 0, max: 36511, avg: 45.63 (801 samples) -- 44.61 seconds range

逐出大量key：500万以上

evicted_keys:5,909,376

峰值内存：rehash多了一个GB

used_memory_peak_human:6.50G

(2) Redis 7.0.11

第一次灌入：67,100,000个key，观察内存：

maxmemory:         5.6GB
used_memory_human: 5.5GB
dbsize:            67,100,000

第二次灌入：2,000,000个key，观察可用性和逐出

客户端执行无超时，redis-cli --latency-history

min: 0, max: 2, avg: 0.05 (1484 samples) -- 15.01 seconds range
min: 0, max: 3, avg: 0.24 (1454 samples) -- 15.00 seconds range

正常逐出（还剩0.1GB）

evicted_keys:152485
evicted_keys:443253
evicted_keys:751165
evicted_keys:1058191
evicted_keys:1367445
evicted_keys:1662485
evicted_keys:1662485

峰值内存：没有进行rehash

used_memory_peak_human:5.50G

4. 实验对比

版本	是否发生rehash	严重超时
6.0.15	有	有,30秒以上不可用
7.0.11	无	无,正常逐出

四、代码解析

1. dict：

新加的expandAllowed，决定dict当前是否做rehash

typedef struct dictType {
   ....
    int (*expandAllowed)(size_t moreMem, double usedRatio);
  ....
} dictType;

dict在做扩容时候会加入新的判断dictTypeExpandAllowed

/* Expand the hash table if needed */
static int _dictExpandIfNeeded(dict *d)
{
   ......
    if (!dictTypeExpandAllowed(d))
        return DICT_OK;
    ......
}

若dict的expandAllowed为空则允许rehash，否则执行expandAllowed

static int dictTypeExpandAllowed(dict *d) {
    if (d->type->expandAllowed == NULL) return 1;
    return d->type->expandAllowed(
                    DICTHT_SIZE(_dictNextExp(d->ht_used[0] + 1)) * sizeof(dictEntry*),
                    (double)d->ht_used[0] / DICTHT_SIZE(d->ht_size_exp[0]));
}

2. redis的dict

redis的dbDictType和dbExpiresDictType

/* Db->dict, keys are sds strings, vals are Redis objects. */
dictType dbDictType = {
    dictSdsHash,                /* hash function */
    NULL,                       /* key dup */
    NULL,                       /* val dup */
    dictSdsKeyCompare,          /* key compare */
    dictSdsDestructor,          /* key destructor */
    dictObjectDestructor,       /* val destructor */
    dictExpandAllowed,          /* allow to expand */
    dictEntryMetadataSize       /* size of entry metadata in bytes */
};

/* Db->expires */
dictType dbExpiresDictType = {
    dictSdsHash,                /* hash function */
    NULL,                       /* key dup */
    NULL,                       /* val dup */
    dictSdsKeyCompare,          /* key compare */
    NULL,                       /* key destructor */
    NULL,                       /* val destructor */
    dictExpandAllowed           /* allow to expand */
};

可以看到：

dict使用率大于hash负载因子：可以做rehash
dict使用率小于hash负载因子：
- 如果maxmemory=0，可以做rehash
- 如果当前使用内存 + rehash需要内存小于maxmemory，可以做rehash
- 如果当前对象内存(使用内存 - 额外内存(各种缓冲区)) + rehash需要内存小于maxmemory，可以做rehash

int dictExpandAllowed(size_t moreMem, double usedRatio) {
    if (usedRatio <= HASHTABLE_MAX_LOAD_FACTOR) {
        return !overMaxmemoryAfterAlloc(moreMem);
    } else {
        return 1;
    }
}

/* Return 1 if used memory is more than maxmemory after allocating more memory,
 * return 0 if not. Redis may reject user's requests or evict some keys if used
 * memory exceeds maxmemory, especially, when we allocate huge memory at once. */
int overMaxmemoryAfterAlloc(size_t moremem) {
    if (!server.maxmemory) return  0; /* No limit. */

    /* Check quickly. */
    size_t mem_used = zmalloc_used_memory();
    if (mem_used + moremem <= server.maxmemory) return 0;

    size_t overhead = freeMemoryGetNotCountedMemory();
    mem_used = (mem_used > overhead) ? mem_used - overhead : 0;
    return mem_used + moremem > server.maxmemory;
}

五、结论

Redis6.2+以上版本有效解决了rehash在大dict下产生的可用性和逐出问题
Redis7目前已经比较稳定(2022年4月release)，目前已经在线上大量使用7.0.11。
新版本只是做了rehash的延迟处理，并不是不再做rehash了，由于负载因子可能产生的性能问题需要适度关注。
Redis6.2+对逐出也做了一定优化，后续将进行介绍：Incremental eviction processing