Redis键值设计的实践

在Redis中，良好的键值设计可以达成事半功倍的效果，而不好的键值设计可能会带来Redis服务停滞，网络阻塞，CPU使用率飙升等一系列问题，今天就教大家如何设计一个良好的key-value

1 优雅的key结构

Redis的Key虽然可以自定义，但最好遵循下面的几个最佳实践约定：

遵循基本格式：[业务名称]:[数据名]:[id]，例如我们的登录业务，需要保存用户信息，其key可以设计成如下格式

这种设计的好处不仅在于可读性强，还在于可以避免key的冲突问题，而且方便管理

Key的长度不超过44字节

无论是哪种数据类型， key都是string类型，string类型的底层编码包含int、embstr和raw三种。如果key中全是数字，那么就会直接以int类型去存储，而int占用的空间也是最小的，当然出于业务需求，我们不可能将key设计为一个全数字的，而如果不是纯数字，底层存储的就是SDS内容，如果小于44字节，就会使用embstr类型，embstr在内存中是一段连续的存储空间，内存占用相对raw来说较小，而当字节数大于44字节时，会转为raw模式存储，在raw模式下，内存空间不是连续的，而是采用一个指针指向了另外一段内存空间，在这段空间里存储SDS内容，这样空间不连续，访问的时候性能也就会收到影响，还有可能产生内存碎片

需要注意的是，如果你的redis版本低于4.0，那么界限是39字节而非44字节

Key中不包含一些特殊字符

2 拒绝BigKey

2.1 判断BigKey

BigKey顾名思义就是一个很大的Key，这里的大并不是指Key本身很大，而是指包括这个Key的Value在内的一整个键值对很大

BigKey通常以Key-Value的大小或者Key中成员的数量来综合判定，例如：

• Key的Value过大：例如一个String类型的Key，它的Value为5MB
• Key中的成员数过多：例如一个ZSET类型的Key，它的成员数量为10000个
• Key中成员的Value过大：例如一个Hash类型的Key，它的成员数量虽然只有1000个，但这些成员的Value总大小为100 MB

那么如何判断元素的大小呢？redis中为我们提供了相应的命令，语法如下：

memory usage 键名

这条命令会返回一条数据占用内存的总大小，这个大小不仅包括Key和Value的大小，还包括数据存储时的一些元信息，因此可能你的Key与Value只占用了几十个字节，但最终的返回结果是几百个字节

但是我们一般不推荐使用memory指令，因为这个指令对CPU的占用率是很高的，实际开发中我们一般只需要衡量Value的大小或者Key中的成员数即可

例如如果我们使用的数据类型是String，就可以使用以下命令，返回的结果是Value的长度

strlen 键名

如果我们使用的数据类型是List，就可以使用以下命令，返回的结果是List中成员的个数

llen 键名

一般我们推荐，单个key的value小于10KB，集合类型的key元素数量小于1000

2.2 BigKey的危害

网络阻塞

当我们对一个BigKey发起读请求时，只需少量的QPS就可能导致带宽使用率被占满，导致Redis实例乃至所在物理机变慢，例如一个bigkey占用5M内存，只需要QPS达到20，那么1秒钟就会占100M的带宽

数据倾斜

集群环境下，由于所有插槽一开始都是均衡分配的，因此BigKey所在的Redis实例内存使用率会远超其他实例，从而无法使数据分片的内存资源达到均衡，最后不得不手动重新分配插槽，增加运维人员的负担

Redis阻塞

对元素较多的hash、list、zset等做运算会耗时较久，而且由于Redis是单线程的，在运算过程中会导致服务阻塞，无法接收其他用户请求

CPU压力

对BigKey的数据进行序列化或反序列化都会导致CPU的使用率飙升，影响Redis实例和本机其它应用

2.3 如何发现BigKey

既然我们知道了什么叫BigKey以及BigKey的危害，那么如何去快速发现Redis中所有的BigKey呢？这里为大家提供以下几种方案：

1）利用Redis本身提供的命令

利用以下命令，可以遍历分析所有key，并返回Key的整体统计信息与每种数据类型中Top1的BigKey

redis-cli -a 密码 --bigkeys

演示如下（这里我的redis没有设置密码，如果你的redis设置了密码，则需要使用 -a 密码 进行连接）

2）自己手动编写程序进行扫描

我们可以通过自己编写程序，将Redis中所有的数据查询出来并一一统计长度来找出BigKey，这里不建议使用keys *来查询所有数据，因为keys * 是一次将所有的数据全部查找出来，如果数据量很大，key *一次可能要几十秒甚至几分钟，在如此长的时间内，Redis的主线程会因为执行该命令而被阻塞。

这里建议使用redis提供的scan命令，语法如下：

scan 起始位置 count 数量

scan扫描有点类似于分页查询，而被分页的对象是redis中所有的数据，scan命令调用一次只会从指定的起始位置开始返回指定数量的数据，以及此次扫描结束时光标所在的位置，下一次扫描时就需要从这个光标开始继续往下扫描

这里提供一个已经编写好的查找BigKey的测试类，大家可以参考一下

import com.heima.jedis.util.JedisConnectionFactory;
import org.junit.jupiter.api.AfterEach;
import org.junit.jupiter.api.BeforeEach;
import org.junit.jupiter.api.Test;
import redis.clients.jedis.Jedis;
import redis.clients.jedis.ScanResult;

import java.util.HashMap;
import java.util.List;
import java.util.Map;

public class JedisTest {
    private Jedis jedis;

    @BeforeEach
    void setUp() {
        // 1.建立连接
        // jedis = new Jedis("192.168.150.101", 6379);
        jedis = JedisConnectionFactory.getJedis();
        // 2.设置密码
        jedis.auth("123321");
        // 3.选择库
        jedis.select(0);
    }

    //设置string类型的长度上限，超过这个上限就判断为BigKey
    final static int STR_MAX_LEN = 10 * 1024;
    //设置集合类型允许的成员数量上限，超过这个上限就判断为BigKey
    final static int HASH_MAX_LEN = 500;

    @Test
    void testScan() {
        int maxLen = 0;
        long len = 0;

        String cursor = "0";
        do {
            // 扫描并获取一部分key
            ScanResult<String> result = jedis.scan(cursor);
            // 记录cursor
            cursor = result.getCursor();
            List<String> list = result.getResult();
            if (list == null || list.isEmpty()) {
                break;
            }
            // 遍历
            for (String key : list) {
                // 判断key的类型
                String type = jedis.type(key);
                switch (type) {
                    case "string":
                        len = jedis.strlen(key);
                        maxLen = STR_MAX_LEN;
                        break;
                    case "hash":
                        len = jedis.hlen(key);
                        maxLen = HASH_MAX_LEN;
                        break;
                    case "list":
                        len = jedis.llen(key);
                        maxLen = HASH_MAX_LEN;
                        break;
                    case "set":
                        len = jedis.scard(key);
                        maxLen = HASH_MAX_LEN;
                        break;
                    case "zset":
                        len = jedis.zcard(key);
                        maxLen = HASH_MAX_LEN;
                        break;
                    default:
                        break;
                }
                if (len >= maxLen) {
                    System.out.printf("Found big key : %s, type: %s, length or size: %d %n", key, type, len);
                }
            }
        } while (!cursor.equals("0"));
    }
    
    @AfterEach
    void tearDown() {
        if (jedis != null) {
            jedis.close();
        }
    }

}

3）第三方工具

利用第三方工具，这里推荐Redis-Rdb-Tools，它会针对Redis的RDB快照文件来分析内存使用情况，由于分析的是快照文件，因此不会占用Redis服务的任何性能，但是时效性相对较差

Redis-Rdb-Tools的github网址：https://github.com/sripathikrishnan/redis-rdb-tools

4）网络监控

使用自定义工具，监控进出Redis的网络数据，超出预警值时主动告警。一般阿里云搭建的云服务器就有相关监控页面：

2.4 如何删除BigKey

BigKey内存占用较多，因此即便我们使用的是删除操作，删除BigKey也需要耗费很长时间，导致Redis主线程阻塞，引发一系列问题。

如果redis版本在4.0之后，我们可以通过异步删除命令unlink来删除一个BigKey，该命令会先把数据标记为已删除，然后再异步执行删除操作。

如果redis版本在4.0之前，针对集合类型，我们可以先遍历BigKey中所有的元素，先将子元素逐个删除，最后再删除BigKey。至于如何遍历，针对不同的集合类型，可以参考以下不同的命令

3 恰当的数据类型

找出BigKey中，我们应该如何对BigKey进行优化呢？这里我们需要选择恰当的数据类型

3.1 存储对象

如果我们要存储一个User对象，有三种存储方式：

1）JSON字符串

将一整个对象转成Json格式进行存储

优点：实现简单粗暴

缺点：数据耦合，不够灵活，且需要维护JSON结构，占用内存相对较大

2）字段打散

将对象的不同属性存储到不同的key中

优点：可以灵活访问对象任意字段

缺点：由于每条数据都会有一些元信息需要存储，因此将一个Key分成多个Key进行存储，占用的内存会变的更大，且由于字段分散，当我们需要做统一控制时会变得很困难

3）hash（推荐）

使用hash结构来存储对象，对象的一个属性对应集合中的一个成员

优点：hash结构底层会使用ziplist压缩列表，空间占用小，且可以灵活访问对象的任意字段

缺点：代码编写时相对复杂

3.2 Hash优化

假如有一个hash类型的key，其中有100万对field和value，field是自增id，这个key存在什么问题？如何优化？

当hash的entry数量超过500时，底层会使用哈希表存储而不是ZipList，内存占用会变得比较高，虽然这个数量限制我们是可以通过以下命令进行修改的

config set hash-max-ziplist-entries 数量

但是entry数量如果实在太大了还是会导致BigKey问题，这是需要优化的，这里提供以下两种解决思路：

1）拆分为String类型（不推荐）

将Hash中的每个成员单独使用一个String类型的key进行存储

这种方案是不推荐的，存在的问题如下

• string结构底层没有太多内存优化的，且存储这些key的同时也会存储大量的元信息，虽然数据打散了，但是整体内存占用更多了
• 如果我们想要批量获取这些数据，会变得格外麻烦

2）拆分成多个Hash类型

拆分为小的hash，将 id / 100 作为key， 将id % 100 作为field，这样每100个元素为一个Hash，这种方式相对上面两种来说内存占用会少很多，而且解决了Bigkey的问题，当然多少个元素作为一个Hash是自己定义的，这里建议数量不要超过500