Redis数据库笔记——内存分配器

大家好，这里是Good Note，关注公主号：Goodnote，专栏文章私信限时Free。本文详细介绍Redis数据库的内存分配器，这是redis为什么这么快的原因，以及其作为内存数据库的内存管理策略。

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文章目录

Redis 的内存分配器
内存分配器的作用
Redis 支持的内存分配器
jemalloc
libc malloc
tcmalloc

Redis 内存分配器的选择
选择其他分配器步骤
jemalloc 的优势

Redis 内存管理机制
内存预分配
内存碎片
内存淘汰机制
压缩内存结构

Redis 内存优化建议
Redis 内存监控
开启最大内存限制
分布式存储

历史文章
MySQL数据库
Redis

Redis 的内存分配器

Redis 的内存管理设计对性能和内存利用率有重要影响。其内存分配依赖底层的内存分配器和自身的一些优化机制。

内存分配器的作用

Redis 是一个基于内存的数据库，需要频繁地进行内存分配和释放操作。内存分配器的性能和设计直接影响 Redis 的整体性能。

内存分配器的主要职责：
- 高效分配和释放内存。
- 尽量减少内存碎片。
- 提供线程安全的并发支持（多线程场景）。

Redis 支持的内存分配器

Redis 支持多种内存分配器，常见的有以下三种：

分配器	优点	缺点	使用场景
jemalloc	高性能、低碎片率、多线程支持	小对象内存利用率稍逊于 tcmalloc	Redis 默认，推荐使用
libc	简单易用，系统默认	性能和碎片控制较差	非高并发、低性能需求场景
tcmalloc	极高并发性能、多线程优化	对小对象内存利用不如 jemalloc 精细	极高并发场景，可替代 jemalloc

Redis 的内存分配器设计和优化是其性能的重要保障。正确选择分配器并监控内存使用，可进一步提升系统稳定性和效率。

jemalloc

默认分配器：
- 自 Redis 3.0 起，默认使用 jemalloc（jemalloc 是一款高性能内存分配器）。
特点：
- 减少内存碎片：将内存分配按大小分类管理，分配和释放更加高效。
- 并发优化：支持多线程并发分配，适合高并发场景。
- 内存使用稳定：分配和释放的内存模式减少了碎片化问题。
优点：
- 在高并发场景下性能优异。
- 适合 Redis 的长连接、多命令操作模式。
缺点：
- 对小对象内存的利用率可能不如其他分配器（如 tcmalloc）。

libc malloc

简介：
- 标准 C 库中提供的默认内存分配器。
特点：
- 实现简单，系统默认支持。
- 内存碎片化问题较严重，不适合 Redis 的高并发场景。
使用场景：
- 适合非高性能需求的场景。
优点：
- 开发和使用简单，无需额外配置。
缺点：
- 在高并发场景下性能较差。
- 内存碎片化问题明显，不适合 Redis 的长时间运行场景。

tcmalloc

简介：
- Google 开发的高效内存分配器。
特点：
- 性能比 jemalloc 更高，但对小对象分配的内存利用率不如 jemalloc。
- 适用于极高并发场景。每个线程有独立的内存分配缓存，减少线程间的锁竞争。
使用场景：
- 在一些高并发业务中，可能会替代 jemalloc。
优点：
- 高性能，适合 Redis 在超高并发下的使用。
缺点：
- 对小对象内存管理不如 jemalloc 精细，可能会浪费内存。

Redis 内存分配器的选择

Redis 默认使用 jemalloc，兼顾性能和碎片化控制，是推荐的内存分配器。

选择其他分配器步骤

更改编译选项：
- 在 Redis 源码目录下，编译时指定 MALLOC 参数即可选择内存分配器。
- 示例：
```
make MALLOC=libc      # 使用 libc malloc
make MALLOC=tcmalloc  # 使用 tcmalloc
```
查看当前分配器：
- 编译完成后，通过 ldd redis-server 命令查看当前分配器：
```
ldd redis-server | grep malloc
```

jemalloc 的优势

作为默认分配器，jemalloc 在 Redis 中表现优异，具体优势包括：
jemalloc的优势体现在减小内存碎片方面。

jemalloc 在 64 位系统中，将内存空间划分为小、大、巨大三个范围；每个范围内又划分了许多小的内存块单位；当 Redis 存储数据时，会选择大小最合适的内存块进行存储。size单位是字节。

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1. 减少内存碎片

jemalloc 按内存块大小将内存分为不同类别（class），分配时选择最合适的类别，避免内存碎片化。

2. 线程本地缓存

jemalloc 为每个线程维护独立的分配缓存，减少线程间竞争。

3. 内存分配效率高

jemalloc 的分配算法更适合 Redis 的高并发特性，可以快速分配和释放内存。

4. 内存统计

jemalloc 提供了详细的内存统计工具，可通过 Redis 的 DEBUG 命令查看：
```
redis-cli DEBUG malloc-stats
```

Redis 内存管理机制

除了底层的内存分配器，Redis 还采用了多种机制优化内存使用：

内存预分配

Redis 会为某些数据结构（如 SDS）预先分配一定的内存，避免频繁的内存分配操作。
优势：
- 提升性能，减少频繁分配和释放内存的开销。
- 动态扩容：当内存不足时，会按一定比例扩展，减少扩容次数。

内存碎片

问题：
- Redis 在分配和释放内存时，会出现碎片化问题。
指标：
- jemalloc 内置了优化机制，通过内存池减少碎片。
- 提供 INFO MEMORY 命令，可通过 mem_fragmentation_ratio 指标监控内存碎片率。
```
mem_fragmentation_ratio:1.05  # 碎片率 1.05，表示有 5% 的碎片
```
  - 低于 1.2：正常。
  - 高于 1.5：可能存在严重碎片，需分析和优化。
优化方案：
- 如果发现碎片率过高（如超过 1.5），可以尝试以下几种优化方法：
  1. 重启 Redis：重启 Redis 会清理内存中的碎片，重新进行内存分配。
  2. 调整 jemalloc 配置：优化 jemalloc 的参数设置，以提高内存使用效率。
  3. 定期清理空闲内存：在 Redis 长时间运行后，可以使用redis-cli memory purge 手动触发 jemalloc 的内存清理操作，减少碎片化。

内存淘汰机制

当 Redis 内存占用达到上限时，会根据设置的淘汰策略移除一些数据。

常见策略：

针对设置了过期时间的键
- volatile-lru：仅对设置了过期时间的键，淘汰最近最少使用的键。
- volatile-ttl：仅对设置了过期时间的键，淘汰剩余时间最短的键。
- volatile-random：仅对设置了过期时间的键，随机淘汰。
- volatile-lfu：仅对设置了过期时间的键，淘汰访问频率最低的键。
针对所有键
- allkeys-lru：对所有键，淘汰最近最少使用的键。
- allkeys-random：对所有键，随机淘汰。
- allkeys-lfu：对所有键，淘汰访问频率最低的键。
无淘汰策略
- noeviction：不进行淘汰，当内存超限时直接返回错误。

压缩内存结构

Redis 内部使用紧凑型数据结构（如 ziplist、intset）来节省内存。
特点：
- 小规模数据（如小列表、小哈希）会使用压缩存储结构，减少内存开销。

Redis 内存优化建议

Redis 内存监控

Redis 提供了多种命令监控内存使用情况：

查看内存使用情况：

INFO MEMORY

输出示例：

used_memory:1048576          # 已使用的内存
used_memory_peak:2097152     # 内存峰值
mem_fragmentation_ratio:1.02 # 内存碎片率

查看键的内存占用：
```
MEMORY USAGE key
```
查看内存分配统计：
使用 jemalloc 的 jemalloc.stats.print。
```
redis-cli -p 6379 debug jemalloc stats
```

开启最大内存限制

配置 maxmemory 参数，避免超出物理内存，报OOM（Out of Memory）错误。

分布式存储

在高内存使用场景下，采用 Redis Cluster 扩展容量。

历史文章

MySQL数据库

Redis

标签：数据库,Redis,碎片,内存,分配器,jemalloc
From： https://blog.csdn.net/haopingbiji/article/details/144915641