得物面试题：深入了解Redis内存碎片及其清理方法，提升Redis性能的重要性与解决策略

Redis内存碎片问题是一个在后端开发中经常被问到的面试题，尽管它不是特别常见，但却是Redis性能优化的重要组成部分。这个问题曾在如得物、美团、阿里、字节、携程等公司的面试中被提及，因此无论是否备战面试，了解和掌握内存碎片的概念都对日常开发有很大帮助。

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内存碎片的定义

内存碎片可以简单地理解为一些无法被再利用的闲置内存空间。假设操作系统为某个任务分配了32字节的连续内存，但实际存储的数据只需要24字节，那么剩余的8字节如果没有办法被后续的任务所利用，就被称为内存碎片。

虽然Redis的内存碎片不会直接影响其性能，但却会导致内存消耗的增加。

Redis内存碎片产生的原因

Redis内存碎片主要可以归结为两个常见原因：

1. Redis在存储数据时请求的内存空间常常大于实际需要的空间。

Redis的内存分配机制是通过zmalloc方法实现的，该方法除了分配所需的内存大小外，还会额外分配一定的内存（PREFIX_SIZE）。Redis官方对此的描述为：

To store user keys, Redis allocates at most as much memory as the maxmemory setting enables (however there are small extra allocations possible).

以下是zmalloc方法的实现示例：

void *zmalloc(size_t size) {  
   void *ptr = malloc(size + PREFIX_SIZE);  
   if (!ptr) zmalloc_oom_handler(size);  
#ifdef HAVE_MALLOC_SIZE  
   update_zmalloc_stat_alloc(zmalloc_size(ptr));  
   return ptr;  
#else  
   *((size_t*)ptr) = size;  
   update_zmalloc_stat_alloc(size + PREFIX_SIZE);  
   return (char*)ptr + PREFIX_SIZE;  
#endif  
}

此外，Redis可以使用多种内存分配器（如libc、jemalloc、tcmalloc），其中默认使用jemalloc。jemalloc会根据一系列固定大小（如8字节、16字节、32字节等）来分配内存。例如，若一个程序请求17字节的内存，jemalloc可能会分配32字节，造成15字节的浪费。不过，jemalloc对内存碎片问题进行了优化，因此一般不会出现严重的碎片化现象。

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2. 频繁修改Redis中的数据也会导致内存碎片的产生。

当Redis中的某个数据被删除时，Redis通常不会立即将内存释放回操作系统，这也是造成内存碎片的原因之一。相关信息可以在Redis官方文档中找到。

文档地址：Redis Memory Optimization。

如何查看Redis内存碎片信息？

可以通过执行info memory命令来查看Redis的内存信息。Redis官方文档详细介绍了每个参数的含义，可以参考：Redis INFO命令。

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内存碎片率的计算公式为：mem_fragmentation_ratio（内存碎片率）= used_memory_rss（操作系统实际分配给Redis的物理内存大小）/ used_memory（Redis为存储数据实际申请的内存大小）。

这意味着，mem_fragmentation_ratio的值越大，表示内存碎片的严重程度越高。

不应简单将used_memory_rss减去used_memory视为内存碎片的大小，因为这个值还包含其他进程的开销以及共享库、堆栈等的开销。

通常情况下，当mem_fragmentation_ratio > 1.5时，建议进行内存碎片的清理。这表示如果使用Redis存储2G的数据，实际上可能需要超过3G的内存。

如果希望快速查看内存碎片率，可以使用以下命令：

> redis-cli -p 6379 info | grep mem_fragmentation_ratio

内存碎片率也可能小于1的情况，虽然在日常使用中较为罕见，感兴趣的读者可以参考这篇文章：故障分析 | Redis内存碎片率太低该怎么办？。

如何清理Redis内存碎片？

从Redis 4.0-RC3版本开始，Redis自带内存整理功能，能够有效预防内存碎片率过高的问题。用户可以通过以下命令启用此功能：

config set activedefrag yes

清理的具体时机可以通过以下两个参数进行控制：

# 内存碎片占用空间达到 500MB 时开始清理  
config set active-defrag-ignore-bytes 500mb  
# 内存碎片率大于 1.5 时开始清理  
config set active-defrag-threshold-lower 50

为了减少内存碎片清理对Redis性能的影响，可以通过以下两个参数进行配置：

# 内存碎片清理所占用 CPU 时间的比例不低于 20%  
config set active-defrag-cycle-min 20  
# 内存碎片清理所占用 CPU 时间的比例不高于 50%  
config set active-defrag-cycle-max 50

此外，重启Redis节点也可以实现内存碎片的整理。如果你使用的是高可用架构的Redis集群，可以将碎片率过高的主节点转为从节点，以便安全重启。

参考资料

[1]jemalloc: https://github.com/jemalloc/jemalloc