Redis作为一种高性能的内存数据库，广泛应用于各种业务场景。然而，随着业务规模的扩大和数据量的增长，Redis的性能问题逐渐凸显出来。为了提高Redis的性能，本文将深入探讨Redis性能优化方案，包括参数配置、数据结构、多线程、集群分片等方面。
一、性能测试工具
1.1、Redis-benchmark
在聊Redis性能优化方案之前，我们来了解一下Redis性能测试工具 redis-benchmark。
Redis 包含一个名为 redis-benchmark 的实用程序，它可以模拟 N 个客户端同时发送 M 个查询的命令执行情况。该实用程序提供了一组默认的测试，你也可以提供一组自定义的测试。
1.2、影响redis性能的因素
有多种因素会直接影响redis的性能。这里，我们分析一些，因为它们可以改变所有benchmark测试的结果。但请注意，一个典型的redis实例，运行在低速、未调优过的系统上，提供的性能对大多数应用来说也是够好的。
- 网络带宽和延迟常常是直接影响性能。启动benchmark程序前，使用ping程序快速检查客户端和服务器之间的延迟是一种好习惯。在很多现实的场景中，redis吞吐量先受到网络限制，然后才是CPU。
- CPU是另一个重要的因素。作为单线程的，redis喜欢高速有大缓存而不是有多个核的cpu。当客户端和服务器运行在同一个系统上，cpu就是redis-benchmark的限制因素。
- 相同的硬件上，运行在虚拟机上的redis会比运行在真实系统上的redis慢。
- 当服务器和客户端benchmark程序运行同一系统上时，TCP/IP回路和unix域套接字都可使用。
- 大量使用管道化(即长管道)时，比起使用TCP/IP，unix域套接字的性能提升会有所下降。
- 使用以太网访问redis，数据大小保持小于以太网报文大小(大约1500字节)，使用管道化汇集多条命令特别有效。实际上，处理10字节，100字节，1000字节的查询几乎是一样的吞吐量。如下图。
- 在有多个CPU插口的服务器上，redis的性能依赖于NUMA配置和进程位置。
- 使用高级配置，客户端连接数也是很重要的因素。
其他要考虑的事情
benchmark的一个重要目的是得到可重复的结果，这样才能和其他测试的结果进行比较。
- 如果打算使用RDB或AOF，请确保系统中没有其他I/O活动。避免把RDB或AOF文件在NAS或NFS上共享，或放在其他影响网络带宽或延迟的设备上(比如Amazon EC2的EBS)。
- 设置redis的日志级别(参数loglevel)为warning 或notice。避免把日志放在远程文件系统上。
p.s.以上图来源于Redis官方文档中，想了解更详细的可以进入Redis官方文档中查看。
二、性能优化方案
2.1、硬件配置优化
网络优化：
- 使用高性能网络设备： 确保Redis服务器和客户端之间的网络连接是高性能的，采用千兆以太网或更高速的网络设备。
- 调整内核参数： 针对高负载的情况，优化操作系统的网络相关内核参数，包括调整TCP连接数、缓冲区大小等。
- 使用连接池： 在客户端使用连接池，避免频繁地打开和关闭网络连接，减少连接的建立和断开开销。
内存优化：
- 使用高性能内存条：选择具有较高速度和低延迟的内存条。
- 增加内存容量： Redis是一个内存数据库，更多的内存通常意味着更好的性能，特别是当你的数据集逐渐增大时。确保服务器上安装了足够的内存，以满足数据存储的需求。
- 合理设置maxmemory参数： 设置maxmemory参数，防止Redis使用过多内存导致系统出现性能问题。
- 使用内存碎片整理： 定期查找和整理内存碎片。
2.2、参数配置优化
Redis的性能参数需要结合实际的应用场景来调整，以达到最佳的性能表现。
- 设置合理的 maxmemory 参数：maxmemory 参数用于限制 Redis 内存的使用量。如果设置过小，可能会导致 Redis 频繁 LRU 淘汰，影响性能。如果设置过大，可能会导致 Redis 内存不足，导致服务不可用。
- 设置合理的 maxmemory-policy 参数：maxmemory-policy 参数用于指定 Redis 在内存不足时采取的策略。
- 设置合理的 timeout 参数：timeout 参数用于指定客户端连接超时时间。如果设置过小，可能会导致客户端连接频繁断开，影响性能。如果设置过大，可能会导致客户端连接时间过长，影响性能。
- 设置合理的 loglevel 参数：loglevel 参数用于指定 Redis 日志级别。如果设置过高，可能会导致 Redis 日志输出过多，影响性能。如果设置过低，可能会导致重要的日志信息丢失，影响排错。
2.3、数据结构优化
Redis支持多种数据结构，每种数据结构都有自己的特点和适用场景。选择合适的数据结构可以节省内存空间，减少网络开销，提高查询速度。例如：
- 避免使用过大的键名或值，因为它们会占用更多的内存和网络带宽。
- 避免使用过多的层级结构，因为它们会增加查询的复杂度和开销。
- 避免使用过于稀疏的数据结构，因为它们会浪费内存空间。例如，如果你需要存储一个大量空值的矩阵，可以考虑使用压缩列表或位图等更紧凑的数据结构。
2.4、使用合理的过期策略
Redis 的过期策略可以有效提升 Redis 的性能。以下是一些使用合理的过期策略优化 Redis 性能的技巧：
- 根据数据使用情况设置合理的过期时间：过期时间设置过短，会导致 Redis 频繁进行 LRU 淘汰，影响性能。过期时间设置过长，会导致 Redis 内存使用率过高，影响性能。
- 根据数据访问频率设置合理的过期策略：对于经常访问的数据，可以设置较长的过期时间。对于不经常访问的数据，可以设置较短的过期时间。
- 使用惰性过期：惰性过期是指 Redis 在访问键时才判断键是否过期。惰性过期可以降低 LRU 淘汰对性能的影响。
2.5、使用合适的持久化机制
- RDB持久化是指定期将Redis内存中的数据快照保存到磁盘上，它的优点是文件紧凑，恢复速度快，适合做备份和灾难恢复。它的缺点是可能会丢失最近一次快照之后的数据，以及在执行快照时会占用一定的CPU和内存资源。
- AOF持久化是指将Redis执行的每个写操作记录到一个日志文件中，它的优点是数据实时性高，可以保证数据的完整性和一致性。它的缺点是文件较大，恢复速度慢，以及在追加日志时会增加磁盘IO的压力。
- RDB + AOF：在同一个实例中可以组合 AOF 和 RDB一起使用，也就是我们常说的混合模式。
如果你的业务对数据的实时性要求较高，或者不能容忍数据的丢失，可以选择AOF持久化，或者同时开启RDB和AOF持久化，让AOF优先于RDB恢复数据。如果你的业务对数据的实时性要求不高，或者可以容忍一定的数据丢失，你可以选择RDB持久化，或者关闭持久化，只依赖主从复制来保证数据的可用性。
2.6、使用合理的集群方案
Redis 集群可以有效提升 Redis 的性能。
- 主从复制模式：主从复制模式是最简单的集群模式。在主从复制模式中，一个节点作为主节点，其他节点作为从节点。主节点负责写入数据，从节点负责读取数据也就是我们说的读写分离。
- 哨兵模式：哨兵模式是一种高可用的集群模式。在哨兵模式中，每个节点都作为哨兵节点。哨兵节点负责监控主节点的状态，如果主节点发生故障，哨兵节点会自动选举出新的主节点。哨兵模式也适用于读写分离。
- 集群模式：集群模式是一种负载均衡的集群模式。在集群模式中，每个节点都平等，可以进行写入和读取数据。如果在成本允许的情况下使用此集群模式可以大大的提升Redis的性能。