复烤机理的分析与介绍

2023-04-29 13:18

背景

某个工作日，线上某集群跟往常一样导入约400万数据，集群内存却猛涨了约55G，BI导入的同学反馈没有变更。

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其他现象：

该集群一共有60个主节点，其中有四个节点内存增长不明显，其他节点均瞬间增长了1G，并在增长了之后又降低了约500M。

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同时发现增长1G内存的节点内存碎片率发生了抖动，内存增长不明显的4个节点未抖动。

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在查看codis-dashboard之后，发现未增长的节点分片为18，其他增长的节点为17。查找相关资料后发现是由于17个分片的节点key数量触发了Redis内部的内存rehash机制，导致内存分配了1G。

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Rehash介绍

在Redis中，键值对（Key-Value Pair）存储方式是由字典（Dict）保存的，而字典底层是通过哈希表来实现的。通过哈希表中的节点保存字典中的键值对。当HashMap中由于Hash冲突（负载因子）超过某个阈值时，出于链表性能的考虑，会进行Resize的操作。Redis也一样。Redis使用了一种叫做渐进式哈希(rehashing)的机制来提高字典的缩放效率，避免 rehash 对服务器性能造成影响，渐进式 rehash 的好处在于它采取分而治之的方式，将 rehash 键值对所需的计算工作均摊到对字典的每个添加、删除、查找和更新操作上，从而避免了集中式 rehash 而带来的庞大计算量。

Rehash的具体机制可参考美团文章：https://tech.meituan.com/2018/07/27/redis-rehash-practice-optimization.html

(1)Redis 哈希表结构体：

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(2)哈希桶

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(3)定义字典

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总结起来就是：

一个RedisDB对应一个Dict;
一个Dict对应2个Dictht，正常情况只用到ht[0]；ht[1] 在Rehash时使用。

/* 根据相关触发条件扩展字典 */ static int _dictExpandIfNeeded(dict *d) { if (dictIsRehashing(d)) return DICT_OK; // 如果正在进行Rehash，则直接返回 if (d->ht[0].size == 0) return dictExpand(d, DICT_HT_INITIAL_SIZE); // 如果ht[0]字典为空，则创建并初始化ht[0] /* (ht[0].used/ht[0].size)>=1前提下，当满足dict_can_resize=1或ht[0].used/t[0].size>5时，便对字典进行扩展 */ if (d->ht[0].used >= d->ht[0].size && (dict_can_resize || d->ht[0].used/d->ht[0].size > dict_force_resize_ratio)) { return dictExpand(d, d->ht[0].used*2); // 扩展字典为原来的2倍 } return DICT_OK; } ... /* 计算存储Key的bucket的位置 */ static int _dictKeyIndex(dict *d, const void *key) { unsigned int h, idx, table; dictEntry *he; /* 检查是否需要扩展哈希表，不足则扩展 */ if (_dictExpandIfNeeded(d) == DICT_ERR) return -1; /* 计算Key的哈希值 */ h = dictHashKey(d, key); for (table = 0; table <= 1; table++) { idx = h & d->ht .sizemask; //计算Key的bucket位置 /* 检查节点上是否存在新增的Key */ he = d->ht .table[idx]; /* 在节点链表检查 */ while(he) { if (key==he->key || dictCompareKeys(d, key, he->key)) return -1; he = he->next; } if (!dictIsRehashing(d)) break; // 扫完ht[0]后，如果哈希表不在rehashing，则无需再扫ht[1] } return idx; } ... /* 将Key插入哈希表 */ dictEntry *dictAddRaw(dict *d, void *key) { int index; dictEntry *entry; dictht *ht; if (dictIsRehashing(d)) _dictRehashStep(d); // 如果哈希表在rehashing，则执行单步rehash /* 调用_dictKeyIndex() 检查键是否存在，如果存在则返回NULL */ if ((index = _dictKeyIndex(d, key)) == -1) return NULL; ht = dictIsRehashing(d) ? &d->ht[1] : &d->ht[0]; entry = zmalloc(sizeof(*entry)); // 为新增的节点分配内存 entry->next = ht->table[index]; // 将节点插入链表表头 ht->table[index] = entry; // 更新节点和桶信息 ht->used++; // 更新ht /* 设置新节点的键 */ dictSetKey(d, entry, key); return entry; } ... /* 添加新键值对 */ int dictAdd(dict *d, void *key, void *val) { dictEntry *entry = dictAddRaw(d,key); // 添加新键 if (!entry) return DICT_ERR; // 如果键存在，则返回失败 dictSetVal(d, entry, val); // 键不存在，则设置节点值 return DICT_OK; }

继续dictExpand的源码实现：

int dictExpand(dict *d, unsigned long size) { dictht n; // 新哈希表 unsigned long realsize = _dictNextPower(size); // 计算扩展或缩放新哈希表的大小(调用下面函数_dictNextPower()) /* 如果正在rehash或者新哈希表的大小小于现已使用，则返回error */ if (dictIsRehashing(d) || d->ht[0].used > size) return DICT_ERR; /* 如果计算出哈希表size与现哈希表大小一样，也返回error */ if (realsize == d->ht[0].size) return DICT_ERR; /* 初始化新哈希表 */ n.size = realsize; n.sizemask = realsize-1; n.table = zcalloc(realsize*sizeof(dictEntry*)); // 为table指向dictEntry 分配内存 n.used = 0; /* 如果ht[0] 为空，则初始化ht[0]为当前键值对的哈希表 */ if (d->ht[0].table == NULL) { d->ht[0] = n; return DICT_OK; } /* 如果ht[0]不为空，则初始化ht[1]为当前键值对的哈希表，并开启渐进式rehash模式 */ d->ht[1] = n; d->rehashidx = 0; return DICT_OK; } ... static unsigned long _dictNextPower(unsigned long size) { unsigned long i = DICT_HT_INITIAL_SIZE; // 哈希表的初始值：4 if (size >= LONG_MAX) return LONG_MAX; /* 计算新哈希表的大小：第一个大于等于size的2的N 次方的数值 */ while(1) { if (i >= size) return i; i *= 2; } }

复烤机理的分析与介绍

可以确认当Redis Hash冲突到达某个条件时就会触发dictExpand()函数来扩展HashTable。

DICT_HT_INITIAL_SIZE初始化值为4，通过上述表达式，取当4*2^n >= ht[0].used*2的值作为字典扩展的size大小。即为：ht[1].size 的值等于第一个大于等于ht[0].used*2的2^n的数值。

Redis通过dictCreate()创建词典，在初始化中，table指针为Null，所以两个哈希表ht[0].table和ht[1].table都未真正分配内存空间。只有在dictExpand()字典扩展时才给table分配指向dictEntry的内存。

由上可知，当Redis触发Resize后，就会动态分配一块内存，最终由ht[1].table指向，动态分配的内存大小为：realsize*sizeof(dictEntry*)，table指向dictEntry*的一个指针，大小为8bytes（64位OS），即ht[1].table需分配的内存大小为：8*2*2^n （n大于等于2）。

ht[0].size 触发Resize时，ht[1]需分配的内存 4 64bytes 8 128bytes 16 256bytes … … 65536 1024K … … 8388608 128M 16777216 256M 33554432 512M 67108864 1024M … …

现在回过头来看内存上涨1G的时候，节点的key的数量刚好触发了67108864这个值，触发了rehash机制。系统需要分配1G内存的ht[1]表。

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