在一些网络服务的系统中，Redis 的性能，可能是比 MySQL 等硬盘数据库的性能更重要的课题。比如微博，把热点微博[1]，最新的用户关系，都存储在 Redis 中，大量的查询击中 Redis，而不走 MySQL。
那么，针对 Redis 服务，我们能做哪些性能优化呢？或者说，应该避免哪些性能浪费呢？
Redis 性能的基本面
在讨论优化之前，我们需要知道，Redis 服务本身就有一些特性，比如单线程运行。除非修改 Redis 的源代码，不然这些特性，就是我们思考性能优化的基本面。
那么，有哪些 Redis 基本特性需要我们考虑呢？Redis 的项目介绍中概括了它特性：
Redis is an in-memory database that persists on disk. The data model is key-value, but many different kind of values are supported.
首先，Redis 使用操作系统提供的虚拟内存来存储数据。而且，这个操作系统一般就是指 Unix。Windows 上也能运行 Redis，但是需要特殊处理。如果你的操作系统使用交换空间，那么 Redis 的数据可能会被实际保存在硬盘上。
其次，Redis 支持持久化，可以把数据保存在硬盘上。很多时候，我们也确实有必要进行持久化来实现备份，数据恢复等需求。但持久化不会凭空发生，它也会占用一部分资源。
第三，Redis 是用 key-value 的方式来读写的，而 value 中又可以是很多不同种类的数据；更进一步，一个数据类型的底层还有被存储为不同的结构。不同的存储结构决定了数据增删改查的复杂度以及性能开销。
最后，在上面的介绍中没有提到的是，Redis 大多数时候是单线程运行[2]的（single-threaded)，即同一时间只占用一个 CPU，只能有一个指令在运行，并行读写是不存在的。很多操作带来的延迟问题，都可以在这里找到答案。
关于最后这个特性，为什么 Redis 是单线程的，却能有很好的性能(根据 Amdahl’s Law，优化耗时占比大的过程，才更有意义)，两句话概括是：Redis 利用了多路 I/O 复用机制[3]，处理客户端请求时，不会阻塞主线程；Redis 单纯执行（大多数指令）一个指令不到 1 微秒[4]，如此，单核 CPU 一秒就能处理 1 百万个指令（大概对应着几十万个请求吧），用不着实现多线程（网络才是瓶颈[5]）。
优化网络延时
Redis 的官方博客在几个地方都说，性能瓶颈更可能是网络[6]，那么我们如何优化网络上的延时呢？
首先，如果你们使用单机部署（应用服务和 Redis 在同一台机器上）的话，使用 Unix 进程间通讯来请求 Redis 服务，速度比 localhost 局域网（学名 loopback）更快。官方文档[7]是这么说的，想一想，理论上也应该是这样的。
但很多公司的业务规模不是单机部署能支撑的，所以还是得用 TCP。
Redis 客户端和服务器的通讯一般使用 TCP 长链接。如果客户端发送请求后需要等待 Redis 返回结果再发送下一个指令，客户端和 Redis 的多个请求就构成下面的关系：
（备注：如果不是你要发送的 key 特别长，一个 TCP 包完全能放下 Redis 指令，所以只画了一个 push 包）
这样这两次请求中，客户端都需要经历一段网络传输时间。
但如果有可能，完全可以使用 multi-key 类的指令来合并请求，比如两个 GET key可以用MGET key1 key2合并。这样在实际通讯中，请求数也减少了，延时自然得到好转。
如果不能用 multi-key 指令来合并，比如一个 SET，一个GET无法合并。怎么办？
Redis 中有至少这样两个方法能合并多个指令到一个 request 中，一个是 MULTI/EXEC，一个是 script。前者本来是构建 Redis 事务的方法，但确实可以合并多个指令为一个 request，它到通讯过程如下。至于 script，最好利用缓存脚本的 sha1 hash key 来调起脚本，这样通讯量更小。
这样确实更能减少网络传输时间，不是么？但如此以来，就必须要求这个 transaction / script 中涉及的 key 在同一个 node 上，所以要酌情考虑。
如果上面的方法我们都考虑过了，还是没有办法合并多个请求，我们还可以考虑合并多个 responses。比如把 2 个回复信息合并：
这样，理论上可以省去 1 次回复所用的网络传输时间。这就是 pipeline 做的事情。举个 ruby 客户端使用 pipeline 的例子：
- require 'redis'
- @redis = Redis.new
- @redis.pipelined do
- @redis.get 'key1'
- @redis.set 'key2' 'some value'
- end
- # => [1, 2]
据说，有些语言的客户端，甚至默认就使用 pipeline 来优化延时问题，比如 node_redis。
另外，不是任意多个回复信息都可以放进一个 TCP 包中，如果请求数太多，回复的数据很长（比如 get 一个长字符串），TCP 还是会分包传输，但使用 pipeline，依然可以减少传输次数。
pipeline 和上面的其他方法都不一样的是，它不具有原子性。所以在 cluster 状态下的集群上，实现 pipeline 比那些原子性的方法更有可能。
小结一下：
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使用 unix 进程间通信，如果单机部署
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使用 multi-key 指令合并多个指令，减少请求数，如果有可能的话
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使用 transaction、script 合并 requests 以及 responses
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使用 pipeline 合并 response
警惕执行时间长的操作
在大数据量的情况下，有些操作的执行时间会相对长，比如 KEYS *，LRANGE mylist 0 -1，以及其他算法复杂度为 O(n) 的指令。因为 Redis 只用一个线程来做数据查询，如果这些指令耗时很长，就会阻塞 Redis，造成大量延时。
尽管官方文档中说 KEYS *的查询挺快的，（在普通笔记本上）扫描 1 百万个 key，只需 40 毫秒(参见：https://redis.io/commands/keys)，但几十 ms 对于一个性能要求很高的系统来说，已经不短了，更何况如果有几亿个 key（一台机器完全可能存几亿个 key，比如一个 key 100字节，1 亿个 key 只有 10GB），时间更长。
所以，尽量不要在生产环境的代码使用这些执行很慢的指令，这一点 Redis 的作者在博客[8]中也提到了。另外，运维同学查询 Redis 的时候也尽量不要用。甚至，Redis Essential 这本书建议利用rename-command KEYS ''来禁止使用这个耗时的指令。
除了这些耗时的指令，Redis 中 transaction，script，因为可以合并多个 commands 为一个具有原子性的执行过程，所以也可能占用 Redis 很长时间，需要注意。
如果你想找出生产环境使用的「慢指令」，那么可以利用 SLOWLOG GET count来查看最近的 count 个执行时间很长的指令。至于多长算长，可以通过在 redis.conf 中设置 slowlog-log-slower-than 来定义。
除此之外，在很多地方都没有提到的一个可能的慢指令是 DEL，但 redis.conf 文件的注释[9]中倒是说了。长话短说就是 DEL 一个大的 object 时候，回收相应的内存可能会需要很长时间（甚至几秒），所以，建议用 DEL 的异步版本：UNLINK。后者会启动一个新的 thread 来删除目标 key，而不阻塞原来的线程。
更进一步，当一个 key 过期之后，Redis 一般也需要同步的把它删除。其中一种删除 keys 的方式是，每秒 10 次的检查一次有设置过期时间的 keys，这些 keys 存储在一个全局的 struct 中，可以用 server.db->expires访问。检查的方式是：
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从中随机取出 20 个 keys
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把过期的删掉。
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如果刚刚 20 个 keys 中，有 25% 以上（也就是 5 个以上）都是过期的，Redis 认为，过期的 keys 还挺多的，继续重复步骤 1，直到满足退出条件：某次取出的 keys 中没有那么多过去的 keys。
这里对于性能的影响是，如果真的有很多的 keys 在同一时间过期，那么 Redis 真的会一直循环执行删除，占用主线程。
对此，Redis 作者的建议[10]是警惕EXPIREAT这个指令，因为它更容易产生 keys 同时过期的现象。我还见到过一些建议是给 keys 的过期时间设置一个随机波动量。最后，redis.conf 中也给出了一个方法，把 keys 的过期删除操作变为异步的，即，在 redis.conf 中设置lazyfree-lazy-expire yes。
优化数据结构、使用正确的算法
一种数据类型（比如 string，list）进行增删改查的效率是由其底层的存储结构决定的。
我们在使用一种数据类型时，可以适当关注一下它底层的存储结构及其算法，避免使用复杂度太高的方法。举两个例子：
ZADD的时间复杂度是 O(log(N))，这比其他数据类型增加一个新元素的操作更复杂，所以要小心使用。-
若 Hash 类型的值的 fields 数量有限，它很有可能采用 ziplist 这种结构做存储，而 ziplist 的查询效率可能没有同等字段数量的 hashtable 效率高，在必要时，可以调整 Redis 的存储结构。
除了时间性能上的考虑，有时候我们还需要节省存储空间。比如上面提到的 ziplist 结构，就比 hashtable 结构节省存储空间（Redis Essentials 的作者分别在 hashtable 和 ziplist 结构的 Hash 中插入 500 个 fields，每个 field 和 value 都是一个 15 位左右的字符串，结果是 hashtable 结构使用的空间是 ziplist 的 4 倍。）。但节省空间的数据结构，其算法的复杂度可能很高。所以，这里就需要在具体问题面前做出权衡。欢迎关注公众号：朱小厮的博客，回复：1024，可以领取redis专属资料。
如何做出更好的权衡？我觉得得深挖 Redis 的存储结构才能让自己安心。这方面的内容我们下次再说。
以上这三点都是编程层面的考虑，写程序时应该注意啊。下面这几点，也会影响 Redis 的性能，但解决起来，就不只是靠代码层面的调整了，还需要架构和运维上的考虑。
考虑操作系统和硬件是否影响性能
Redis 运行的外部环境，也就是操作系统和硬件显然也会影响 Redis 的性能。在官方文档中，就给出了一些例子：
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CPU：Intel 多种 CPU 都比 AMD 皓龙系列好
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虚拟化：实体机比虚拟机好，主要是因为部分虚拟机上，硬盘不是本地硬盘，监控软件导致 fork 指令的速度慢（持久化时会用到 fork），尤其是用 Xen 来做虚拟化时。
- 内存管理：在 linux 操作系统中，为了让 translation lookaside buffer，即 TLB，能够管理更多内存空间（TLB 只能缓存有限个 page），操作系统把一些 memory page 变得更大，比如 2MB 或者 1GB，而不是通常的 4096 字节，这些大的内存页叫做 huge pages。同时，为了方便程序员使用这些大的内存 page，操作系统中实现了一个 transparent huge pages（THP）机制，使得大内存页对他们来说是透明的，可以像使用正常的内存 page 一样使用他们。但这种机制并不是数据库所需要的，可能是因为 THP 会把内存空间变得紧凑而连续吧，就像mongodb 的文档[11]中明确说的，数据库需要的是稀疏的内存空间，所以请禁掉 THP 功能。Redis 也不例外，但 Redis 官方博客上给出的理由是：使用大内存 page 会使 bgsave 时，fork 的速度变慢；如果 fork 之后，这些内存 page 在原进程中被修改了，他们就需要被复制（即 copy on write），这样的复制会消耗大量的内存（毕竟，人家是 huge pages，复制一份消耗成本很大）。所以，请禁止掉操作系统中的 transparent huge pages 功能。
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交换空间：当一些内存 page 被存储在交换空间文件上，而 Redis 又要请求那些数据，那么操作系统会阻塞 Redis 进程，然后把想要的 page，从交换空间中拿出来，放进内存。这其中涉及整个进程的阻塞，所以可能会造成延时问题，一个解决方法是禁止使用交换空间（Redis Essentials 中如是建议，如果内存空间不足，请用别的方法处理）。
考虑持久化带来的开销
Redis 的一项重要功能就是持久化，也就是把数据复制到硬盘上。基于持久化，才有了 Redis 的数据恢复等功能。
但维护这个持久化的功能，也是有性能开销的。
首先说，RDB 全量持久化。
这种持久化方式把 Redis 中的全量数据打包成 rdb 文件放在硬盘上。但是执行 RDB 持久化过程的是原进程 fork 出来一个子进程，而 fork 这个系统调用是需要时间的，根据Redis Lab 6 年前做的实验[12]，在一台新型的 AWS EC2 m1.small^13 上，fork 一个内存占用 1GB 的 Redis 进程，需要 700+ 毫秒，而这段时间，redis 是无法处理请求的。
虽然现在的机器应该都会比那个时候好，但是 fork 的开销也应该考虑吧。为此，要使用合理的 RDB 持久化的时间间隔，不要太频繁。
接下来，我们看另外一种持久化方式：AOF 增量持久化。
这种持久化方式会把你发到 redis server 的指令以文本的形式保存下来（格式遵循 redis protocol），这个过程中，会调用两个系统调用，一个是 write(2)，同步完成，一个是fsync(2)，异步完成。
这两部都可能是延时问题的原因：
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write 可能会因为输出的 buffer 满了，或者 kernal 正在把 buffer 中的数据同步到硬盘，就被阻塞了。
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fsync 的作用是确保 write 写入到 aof 文件的数据落到了硬盘上，在一个 7200 转/分的硬盘上可能要延时 20 毫秒左右，消耗还是挺大的。更重要的是，在 fsync 进行的时候，write 可能会被阻塞。
其中，write 的阻塞貌似只能接受，因为没有更好的方法把数据写到一个文件中了。但对于 fsync，Redis 允许三种配置，选用哪种取决于你对备份及时性和性能的平衡：
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always：当把 appendfsync 设置为 always，fsync 会和客户端的指令同步执行，因此最可能造成延时问题，但备份及时性最好。
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everysec：每秒钟异步执行一次 fsync，此时 redis 的性能表现会更好，但是 fsync 依然可能阻塞 write，算是一个折中选择。
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no：redis 不会主动出发 fsync （并不是永远不 fsync，那是不太可能的），而由 kernel 决定何时 fsync
使用分布式架构 —— 读写分离、数据分片
以上，我们都是基于单台，或者单个 Redis 服务进行优化。下面，我们考虑当网站的规模变大时，利用分布式架构来保障 Redis 性能的问题。
首先说，哪些情况下不得不（或者最好）使用分布式架构：
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数据量很大，单台服务器内存不可能装得下，比如 1 个 T 这种量级
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需要服务高可用
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单台的请求压力过大
解决这些问题可以采用数据分片或者主从分离，或者两者都用（即，在分片用的 cluster 节点上，也设置主从结构）。
这样的架构，可以为性能提升加入新的切入点：
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把慢速的指令发到某些从库中执行
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把持久化功能放在一个很少使用的从库上
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把某些大 list 分片
其中前两条都是根据 Redis 单线程的特性，用其他进程（甚至机器）做性能补充的方法。
当然，使用分布式架构，也可能对性能有影响，比如请求需要被转发，数据需要被不断复制分发。（待查）
