Redis 中大 Key 与热 Key 的解决方案

在工作中Redis已经成为必备的一款高性能的缓存数据库，但是在实际的使用过程中，我们常常会遇到两个常见的问题，也就是文章标题所说的大 key与热 key。

在工作中Redis已经成为必备的一款高性能的缓存数据库，但是在实际的使用过程中，我们常常会遇到两个常见的问题，也就是文章标题所说的大 key与热 key。

一、定义

1.什么是大key

大 key指的是一个键中包含了大量的数据。（总结一个字就是大）

• 占用空间：大key通常指的是一个键包含了大量的数据，使得该键对应值的占用的内存超出了正常范围。这个大小的阈值并不是固定的，而是相对于 Redis 实例的可用内存而言。当一个键的大小超出了 Redis 实例可用内存时，就可以认为它是一个大key。
• 操作耗时：如果对一个 key 的操作所需的时间过长，导致性能下降或者影响其他请求的处理速度，也可以说这个 key 是大key。因为这种情况通常是由于该 key 下包含了大量的数据。

2.什么是热key

热 key指的是频繁访问的键。(总结就是热，访问频繁。)

• 频繁访问：在某一段时间内被频繁访问的 key 就是热key。
• 业务方面：比如商城促销的场景下，某个商品的缓存可能就会成为热key。这种情况下热key反应的不仅是该键的访问频率高，还反映了用户对某个业务功能的热度。
• 性能方面：热key的频繁访问造成 Redis 的 CPU 占用率过高，造成响应时间延长或者请求阻塞，从而造成系统崩溃。

key的大与不大，热与不热要根据自己的业务，从实际情况进行评估。

二、影响

1.大 key的影响

• 内存消耗：在进行缓存时降低缓存的效率，占用大量的内存空间，使得 Redis 的内存消耗急剧增加，还可能导致 Redis 实例的内存资源不足，甚至出发内存淘汰策略，从而影响系统的正常运行。
• 性能下降：处理大的 key，会耗费更多的 CPU 时间以及带宽，导致 Redis 性能下降。由于 Redis 还是单线程的，处理大key的操作进而会阻塞其他请求的处理，从而影响系统性能。
• 持久化效率降低：在进行持久化操作时，AOF与RDB都会因为该大key耗费更多的时间，从而延迟持久化时间，分布式环境下甚至会造成缓存不一致。
• 网络传输延迟：大key在进行网络传输时会增加网络传输的延迟，在分布式环境下进行数据同步时可能会造成数据的不一致。

2.热 key的影响

• CPU占用率高：因为是热key，所以 CPU 一直占用，进而导致Redis实例的CPU负载增加。
• 请求阻塞：如果 key 有访问优先级，热key的存在可能导致请求队列中其他的请求被阻塞。
• 响应时间延长：因为热key，其他的请求被阻塞了造成响应时间延长。
• 性能不均衡：流量访问造成突刺，系统性能的不均衡。

3.小结

大key与热key都会给 Redis 实例造成一系列的影响，如内存占用过高，CPU 负载增加，持久化时间变长，性能下降等。

三、原因分析

1.大 key产生的原因

产生大key的原因有很多种，下面咱就一起看一下工作中经常遇到的这几种。

(1) 存储大量数据

存储了大量数据也是我们经常遇到大key的最多的原因了。

比如String类型直接保存了一个大的文本或者二进制数据；Hash结构中存储大量的键值对。

• String

SET zuiyu_large_text_key "very large text content..."

• Hash

HMSET zuiyu_large_hash_key field1 value1 field2 value2 ... fieldN valueN

(2) 缓存时间设置不合理

缓存时间设置不合理这个造成大key的原因大概是个隐藏挺深的老 bug，有的业务场景，使用 Redis 缓存数据，业务是定时往该 key 上写数据，由于该 key 是没有设置缓存时间的造成这个 key 随着时间的流逝，占用的内存越来越多，对于该点，只需要设置一个合理的过期时间即可。

前提是多次写入不是覆盖，而是追加才会有该问题。

SETEX zuiyu_key_with_expiry value 3600  # 设置过期时间为3600秒

(3) 数据结构使用不当

在使用 List 数据结构存储数据时，重复的添加数据，造成该 key 越来越大，实际上业务是不需要有重复的数据存在的。

List

LPUSH zuiyu_large_list_key value

(4) 小结

大key的产生根本原因就是在一个 key 下面存储的数据多了。

2.热 key产生的原因

(1) 热门数据

热key的产生一般意味着系统访问火爆了，但是火爆的只是其中一个点或者n个点。类似微博中某个明星的瓜，当上头条的时候，大量的人去访问，造成了该明星所对应的 key 成为热key。

(2) 频繁的更新

某些业务场景，单位时间内一直频繁的对 key 进行更新，该 key 也会成为热key。

(3) 热门搜索

类似于第一中的热门数据，产生了热门数据，该数据对应的热门关键词也被大量的用户去搜索，造成该关键词被频繁访问，最终导致该 key 也称为热key。

(4) 小结

热key的产生无外乎热门数据，热门数据产生的热门关键词以及对同一个 key 在某段时间内的频繁访问。

四、解决方案

1.大key的解决方案

• 合理的数据结构
• 合理的缓存时间
• 大key进行拆分为多个小key
• 定期对大key进行清理

2.热key的解决方案

• 合理的缓存淘汰策略
• 热点数据分片：将热点数据分散到不同的Redis实例，提升系统的吞吐量。
• 缓存预热：在系统启动或者活动高峰开启之前进行缓存预热，提前将需要的数据加载到缓存，减少热点数据首次访问的时间。
• 随机缓存失效时间：避免大量的key同一时间批量失效，造成缓存雪崩与缓存穿透。
• 缓存穿透：使用布隆过滤器进行缓存请求过滤，防止无效请求进入到缓存层。

五、总结

针对大key我们要尽可能的避免同一个 key 下大量的数据。针对热key我们要合理设置过期时间，增加布隆过滤器等技术实现无效请求过滤，对即将到来的数据进行缓存预热、热点数据分片处理。