缓存有大key?你得知道的一些手段

原创
06/18 19:02
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背景:

最近系统内缓存CPU使用率一直报警,超过设置的70%报警阀值,针对此场景,需要对应解决缓存是否有大key使用问题,扫描缓存集群的大key,针对每个key做优化处理。

以下是扫描出来的大key,此处只放置了有效关键信息。



 

 

图1

大key介绍:

想要解决大key,首先我们得知道什么定义为大key。

什么是大KEY:

大key 并不是指 key 的值很大,而是 key 对应的 value 很大(非常占内存)。此处为中间件给出的定义:

单个String类型的Key大小达到20KB并且OPS高
单个String达到100KB
集合类型的Key总大小达到1MB
集合类型的Key中元素超过5000

大KEY带来的影响:

知道了大key的定义,那么我们也得知道大key的带来的影响:

客户端超时阻塞。 Redis 执行命令是单线程处理,然后在大 key处理时会比较耗时,那么就会发生阻塞 ,期间就会各种业务超时出现。
引发网络阻塞。每次获取大 key 产生的网络流量较大,如果一个 key 的大小是 1 MB,每秒访问量为 1000,那么每秒会产生 1000MB 的流量,这对于服务器来说是灾难性的。
阻塞工作线程。如果使用 del 删除大 key 时,会阻塞工作线程,无法处理后续的命令。
内存分布不均。集群各分片内存使用不均。某个分片占用内存较高OOM,发送缓存区增大等,导致该分片其他Key被逐出,同时也会造成其他分片的资源浪费。

大KEY解决手段:

1、历史key未使用

场景描述:

针对这种key场景,其实存在着历史原因,可能是伴随着某个业务下线或者不使用,往往对应实现的缓存操作代码会删除,但是对于缓存数据往往不会做任何处理,久而久之,这种脏数据会一直堆积,占用着资源。那么如果确定已经无使用,并且可以确认有持久化数据(如mysql、es等)备份的话,可以直接将对应key删除。

实例经验:

如图1上面的元素个数488649,其实整个系统查看了下,没有使用的地方,最近也没有访问,相信也是因为一直没有用到, 否则系统内一旦用了这个key来操作hgetall、smembers等,那么缓存服务应该就会不可用了。

2、元素数过多

场景描述:

针对于Set、HASH这种场景,如果元素数量超过5000就视为大的key,以上面图1为例,可以看到元素个数有的甚至达到了1万以上。针对这种的如果对应value值不大,我们可以采取平铺的形式,

实例经验:

比如系统内历史的设计是存储下每个品牌对应的名称,那么就设置了统一的key,然后不同的品牌id作为fild,操作了hSet和hGet来存储获取数据,降低查询外围服务的频率。但是随着品牌数量的增长,导致元素逐步增多,元素个数就超过了大key的预设值了。这种根据场景,我们其实存储本身只有一个品牌名称,那么我们就针对于品牌id对应加上一个统一前缀作为唯一key,采用平铺方式缓存对应数据即可。那么针对这种数据的替换,我这里也总结了下具体要实现的步骤:

修改代码查询和赋值逻辑:

把原始的hGet的逻辑修改为get获取;
把原始hSet的逻辑修改为set赋值。

历史数据刷新到新缓存key:

为了避免上线之后出现缓存雪崩,因为替换了新的key,我们需要通过现有的HASH的数据刷新到新的缓存中,所以需要历史数据处理。

通过hGetAll获取所以元素数据

循环缓存元素数据操作存储新的缓存key和value。

public String refreshHistoryData(){
    try {
        String key = "historyKey";
        Map<String, String> redisInfoMap= redisUtils.hGetAll(key);
        if (redisInfoMap.isEmpty()){
            return "查询缓存无数据";
        }
        for (Map.Entry<String, String> entry : redisInfoMap.entrySet()) {
            String redisVal = entry.getValue();
            String filedKey = entry.getKey();
            String newDataRedisKey = "newDataKey"+filedKey;
            redisUtils.set(newDataRedisKey,redisVal);
        }
        return "success";
    }catch (Exception e){
        LOG.error("refreshHistoryData 异常:",e);
    }
    return "failed";
}

注意:这里一定要先刷历史数据,再上线代码业务逻辑的修改。防止引发 缓存雪崩

3、大对象转换存储形式

场景描述:

复杂的大对象可以尝试将对象分拆成几个key-value, 使用mGet和mSet操作对应值或者pipeline的形式,最后拼装成需要返回的大对象。这样意义在于可以分散单次操作的压力,将操作压力平摊到多个redis实例中,降低对单个redis的IO影响;

实例经验:

这里以系统内订单对象为例:订单对象Order基础属性有几十个,如订单号、金额、时间、类型等,除此之外还要包含订单下的商品OrderSub、预售信息PresaleOrder、发票信息OrderInvoice、订单时效OrderPremiseInfo、订单轨迹OrderTrackInfo、订单详细费用OrderFee等信息。

那么对于每个订单相关信息,我们可以设置为单独的key,把订单信息和几个相关的关联数据每个按照单独key存储,接着通过mGet方式获取每个信息之后,最后封装成整体Order对象。下面仅展示关键伪代码以mSet和mGet实现:

缓存定义:

public enum CacheKeyConstant {

    /**
     * 订单基础缓存key
     */
    REDIS_ORDER_BASE_INFO("ORDER_BASE_INFO"),

    /**
     * 订单商品缓存key
     */
    ORDER_SUB_INFO("ORDER_SUB_INFO"),

    /**
     * 订单预售信息缓存key
     */
    ORDER_PRESALE_INFO("ORDER_PRESALE_INFO"),

    /**
     * 订单履约信息缓存key
     */
    ORDER_PREMISE_INFO("ORDER_PREMISE_INFO"),

    /**
     * 订单发票信息缓存key
     */
    ORDER_INVOICE_INFO("ORDER_INVOICE_INFO"),

    /**
     * 订单轨迹信息缓存key
     */
    ORDER_TRACK_INFO("ORDER_TRACK_INFO"),

    /**
     * 订单详细费用信息缓存key
     */
    ORDER_FEE_INFO("ORDER_FEE_INFO"),
    ;
    /**
     * 前缀
     */
    private String prefix;

    /**
     * 项目统一前缀
     */
    public static final String COMMON_PREFIX = "XXX";


    CacheKeyConstant(String prefix){
        this.prefix = prefix;
    }

    public String getPrefix(String subKey) {
        if(StringUtil.isNotEmpty(subKey)){
            return COMMON_PREFIX + prefix + "_" + subKey;
        }
        return COMMON_PREFIX + prefix;
    }

    public String getPrefix() {
        return COMMON_PREFIX + prefix;
    }
}

缓存存储:

/**
 * @description 刷新订单到缓存
 * @param order 订单信息
 */
public boolean refreshOrderToCache(Order order){
     if(order == null || order.getOrderId() == null){
        return ;
    }
    String orderId = order.getOrderId().toString();
    //设置存储缓存数据
    Map<String,String> cacheOrderMap = new HashMap<>(16);
    cacheOrderMap.put(CacheKeyConstant.ORDER_BASE_INFO.getPrefix(orderId), JSON.toJSONString(buildBaseOrderVo(order)));
    cacheOrderMap.put(CacheKeyConstant.ORDER_SUB_INFO.getPrefix(orderId), JSON.toJSONString(order.getCustomerOrderSubs()));
    cacheOrderMap.put(CacheKeyConstant.ORDER_PRESALE_INFO.getPrefix(orderId), JSON.toJSONString(order.getPresaleOrderData()));
    cacheOrderMap.put(CacheKeyConstant.ORDER_INVOICE_INFO.getPrefix(orderId), JSON.toJSONString(order.getOrderInvoice()));
    cacheOrderMap.put(CacheKeyConstant.ORDER_TRACK_INFO.getPrefix(orderId), JSON.toJSONString(order.getOrderTrackInfo()));
    cacheOrderMap.put(CacheKeyConstant.ORDER_PREMISE_INFO.getPrefix(orderId), JSON.toJSONString( order.getPresaleOrderData()));
    cacheOrderMap.put(CacheKeyConstant.ORDER_FEE_INFO.getPrefix(orderId), JSON.toJSONString(order.getOrderFeeVo()));
    superRedisUtils.mSetString(cacheOrderMap);
}

缓存获取:

/**
 * @description 通过订单号获取缓存数据
 * @param orderId 订单号
 * @return Order 订单实体信息
 */
public Order getOrderFromCache(String orderId){
    if(StringUtils.isBlank(orderId)){
            return null;
    }
    //定义查询缓存集合key
    List<String> queryOrderKey = Arrays.asList(CacheKeyConstant.ORDER_BASE_INFO.getPrefix(orderId),CacheKeyConstant.ORDER_SUB_INFO.getPrefix(orderId),
            CacheKeyConstant.ORDER_PRESALE_INFO.getPrefix(orderId),CacheKeyConstant.ORDER_INVOICE_INFO.getPrefix(orderId),CacheKeyConstant.ORDER_TRACK_INFO.getPrefix(orderId),
            CacheKeyConstant.ORDER_PREMISE_INFO.getPrefix(orderId),CacheKeyConstant.ORDER_FEE_INFO.getPrefix(orderId));

    //查询结果
    List<String> result = redisUtils.mGet(queryOrderKey);
    //基础信息
    if(CollectionUtils.isEmpty(result)){
        return null;
    }
    String[] resultInfo = result.toArray(new String[0]);

    //基础信息
    if(StringUtils.isBlank(resultInfo[0])){
        return null;
    }
    BaseOrderVo baseOrderVo = JSON.parseObject(resultInfo[0],BaseOrderVo.class);
    Order order = coverBaseOrderVoToOrder(baseOrderVo);

    //订单商品
    if(StringUtils.isNotBlank(resultInfo[1])){
        List<OrderSub> orderSubs =JSON.parseObject(result.get(1), new TypeReference<List<OrderSub>>(){});
        order.setCustomerOrderSubs(orderSubs);
    }
    //订单预售
    if(StringUtils.isNotBlank(resultInfo[2])){
        PresaleOrderData presaleOrderData = JSON.parseObject(resultInfo[2],PresaleOrderData.class);
        order.setPresaleOrderData(presaleOrderData);
    }
    //订单发票
    if(StringUtils.isNotBlank(resultInfo[3])){
        OrderInvoice orderInvoice = JSON.parseObject(resultInfo[3],OrderInvoice.class);
        order.setOrderInvoice(orderInvoice);
    }
    //订单轨迹
    if(StringUtils.isNotBlank(resultInfo[5])){
        OrderTrackInfo orderTrackInfo = JSON.parseObject(resultInfo[5],OrderTrackInfo.class);
        order.setOrderTrackInfo(orderTrackInfo);
    }
    //订单履约信息
    if(StringUtils.isNotBlank(resultInfo[6])){
        List<OrderPremiseInfo> orderPremiseInfos =JSON.parseObject(result.get(6), new TypeReference<List<OrderPremiseInfo>>(){});
        order.setPremiseInfos(orderPremiseInfos);
    }
    //订单费用明细信息
    if(StringUtils.isNotBlank(resultInfo[7])){
        OrderFeeVo orderFeeVo = JSON.parseObject(resultInfo[7],OrderFeeVo.class);
        order.setOrderFeeVo(orderFeeVo);
    }
    return order;
}

注意:获取缓存的结果跟传入的key的顺序保持对应即可。

缓存util方法封装:

/**
 *
 * @description 同时将多个 key-value (域-值)对设置到缓存中。
 * @param mappings 需要插入的数据信息
 */
public void mSetString(Map<String, String> mappings) {
    CallerInfo callerInfo = Ump.methodReg(UmpKeyConstants.REDIS.REDIS_STATUS_READ_MSET);
    try {
        redisClient.getClientInstance().mSetString(mappings);
    } catch (Exception e) {
        Ump.funcError(callerInfo);
    }finally {
        Ump.methodRegEnd(callerInfo);
    }
}
/**
 *
 * @description 同时将多个key的结果返回。
 * @param queryKeys 查询的缓存key集合
 */
public List<String> mGet(List<String> queryKeys) {
    CallerInfo callerInfo = Ump.methodReg(UmpKeyConstants.REDIS.REDIS_STATUS_READ_MGET);
    try {
        return redisClient.getClientInstance().mGet(queryKeys.toArray(new String[0]));
    } catch (Exception e) {
        Ump.funcError(callerInfo);
    }finally {
        Ump.methodRegEnd(callerInfo);
    }
    return new ArrayList<String>(queryKeys.size());
}

这里附上通过pipeline的util封装,可参考。

/**
 * @description pipeline放松查询数据
 * @param redisKeyList
 * @return java.util.List<java.lang.String>
 */
public List<String> getValueByPipeline(List<String> redisKeyList) {
        if(CollectionUtils.isEmpty(redisKeyList)){
            return null;
        }
        List<String> resultInfo = new ArrayList<>(redisKeyList);
        CallerInfo callerInfo = Ump.methodReg(UmpKeyConstants.REDIS.REDIS_STATUS_READ_GET);
        try {

            PipelineClient pipelineClient = redisClient.getClientInstance().pipelineClient();

            //添加批量查询任务
            List<JimFuture> futures = new ArrayList<>();
            redisKeyList.forEach(redisKey -> {
                futures.add(pipelineClient.get(redisKey.getBytes()));
            });
            //处理查询结果
            pipelineClient.flush();
            //可以等待future的返回结果,来判断命令是否成功。
            for (JimFuture future : futures) {
                resultInfo.add(new String((byte[])future.get()));
            }

        } catch (Exception e) {
            log.error("getValueByPipeline error:",e);
            Ump.funcError(callerInfo);
            return new ArrayList<>(redisKeyList.size());
        }finally {
            Ump.methodRegEnd(callerInfo);
        }
        return resultInfo;
    }

注意:Pipeline不建议用来设置缓存值,因为本身不是原子性的操作。

4、压缩存储数据

压缩方法结果:

单个元素时:



 

 

压缩方法 压缩前大小Byte 压缩后大小Byte 压缩耗时 解压耗时 压缩解压后比对结果
DefaultOutputStream 446(0.43kb) 254 (0.25kb) 1ms 0ms 相同
GzipOutputStream 446(0.43kb) 266 (0.25kbM) 1ms 1ms 相同
ZlibCompress 446(0.43kb) 254 (0.25kb) 1ms 0ms 相同

四百个元素集合:



 

 

压缩方法 压缩前大小Byte 压缩后大小Byte 压缩耗时 解压耗时 压缩解压后比对结果
DefaultOutputStream 6732(6.57kb) 190 (0.18kb) 2ms 0ms 相同
GzipOutputStream 6732(6.57kb) 202 (0.19kb) 1ms 1ms 相同
ZlibCompress 6732(6.57kb) 190 (0.18kb) 1ms 0ms 相同

四万个元素集合时:



 

 

压缩方法 压缩前大小Byte 压缩后大小Byte 压缩耗时 解压耗时 压缩解压后比对结果
DefaultOutputStream 640340(625kb) 1732 (1.69kb) 37ms 2ms 相同
GzipOutputStream 640340(625kb) 1744 (1.70kb) 11ms 3ms 相同
ZlibCompress 640340(625kb) 1732 (1.69kb) 69ms 2ms 相同

压缩代码样例

DefaultOutputStream

public static byte[] compressToByteArray(String text) throws IOException {
    ByteArrayOutputStream outputStream = new ByteArrayOutputStream();
    Deflater deflater = new Deflater();
    DeflaterOutputStream deflaterOutputStream = new DeflaterOutputStream(outputStream, deflater);

    deflaterOutputStream.write(text.getBytes());
    deflaterOutputStream.close();

    return outputStream.toByteArray();
}

public static String decompressFromByteArray(byte[] bytes) throws IOException {
    ByteArrayInputStream inputStream = new ByteArrayInputStream(bytes);
    Inflater inflater = new Inflater();
    InflaterInputStream inflaterInputStream = new InflaterInputStream(inputStream, inflater);
    ByteArrayOutputStream outputStream = new ByteArrayOutputStream();

    byte[] buffer = new byte[1024];
    int length;
    while ((length = inflaterInputStream.read(buffer)) != -1) {
        outputStream.write(buffer, 0, length);
    }

    inflaterInputStream.close();
    outputStream.close();

    byte[] decompressedData = outputStream.toByteArray();
    return new String(decompressedData);
}

GZIPOutputStream

public static byte[] compressGzip(String str) {
        ByteArrayOutputStream outputStream = new ByteArrayOutputStream();
        GZIPOutputStream gzipOutputStream = null;
        try {
            gzipOutputStream = new GZIPOutputStream(outputStream);
        } catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
        try {
            gzipOutputStream.write(str.getBytes("UTF-8"));
        } catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }finally {
            try {
                gzipOutputStream.close();
            } catch (IOException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }
        return outputStream.toByteArray();
    }

 public static String decompressGzip(byte[] compressed) throws IOException {
        ByteArrayInputStream inputStream = new ByteArrayInputStream(compressed);
        GZIPInputStream gzipInputStream = new GZIPInputStream(inputStream);
        ByteArrayOutputStream outputStream = new ByteArrayOutputStream();
        byte[] buffer = new byte[1024];
        int length;
        while ((length = gzipInputStream.read(buffer)) > 0) {
            outputStream.write(buffer, 0, length);
        }
        gzipInputStream.close();
        outputStream.close();
        return outputStream.toString("UTF-8");
    }

ZlibCompress

 public  byte[] zlibCompress(String message) throws Exception {
        String chatacter = "UTF-8";
        byte[] input = message.getBytes(chatacter);
        BigDecimal bigDecimal = BigDecimal.valueOf(0.25f);
        BigDecimal length = BigDecimal.valueOf(input.length);
        byte[] output = new byte[input.length + 10 + new Double(Math.ceil(Double.parseDouble(bigDecimal.multiply(length).toString()))).intValue()];
        Deflater compresser = new Deflater();
        compresser.setInput(input);
        compresser.finish();
        int compressedDataLength = compresser.deflate(output);
        compresser.end();
        return Arrays.copyOf(output, compressedDataLength);
    }

public static String zlibInfCompress(byte[] data) {
        String s = null;

        Inflater decompresser = new Inflater();
        decompresser.reset();
        decompresser.setInput(data);
        ByteArrayOutputStream o = new ByteArrayOutputStream(data.length);
        try {
            byte[] buf = new byte[1024];
            while (!decompresser.finished()) {
                int i = decompresser.inflate(buf);
                o.write(buf, 0, i);
            }
            s = o.toString("UTF-8");
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            try {
                o.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        decompresser.end();
        return s;
    }

可以看到压缩效率比较好,压缩效率可以从几百kb压缩到几kb内;当然也是看具体场景。不过这里就是最好是避免调用量大的场景使用,毕竟解压和压缩数据量大会比较耗费cpu性能。如果是黄金链路使用,还需要具体配合压测,对比前后接口性能。

5、替换存储方案

如果数据量庞大,那么其实本身是不是就不太适合redis这种缓存存储了。可以考虑es或者mongo这种文档式存储结构,存储大的数据格式。

总结:

redis缓存的使用是一个支持业务和功能高并发的很好的使用方案,但是随着使用场景的多样性以及数据的增加,可能逐渐的会出现大key,日常使用中都可以注意以下几点:

1. 分而治之:如果需要存储大量的数据,避免直接放到缓存中。可以将其拆分成多个小的value。就像是咱们日常吃饭,盛到碗里,一口一口的吃,俗话说的好呀:“细嚼慢咽”。
2. 避免使用不必要的数据结构。例如,如果只需要存储一个字符串结构的数据,就不要过度设计,使用Hash或者List等数据结构。
3. 定期清理过期的key。如果Redis中存在大量的过期key,就会导致Redis的性能下降,或者场景非必要以缓存来持久存储的,可以添加过期时间,定时清理过期的key,就像是家中的日常垃圾类似,定期的清洁和打扫,居住起来咱们才会更加舒服和方便。
4. 对象压缩。将大的数据压缩成更小的数据,也是一种好的解决方案,不过要注意压缩和解压的频率,毕竟是比较耗费cpu的。

以上是我根据现有实际场景总结出的一些解决手段,记录了这些大key的优化经验,希望可以在日常场景中帮助到大家。大家有其他的好的经验,也可以分享出来。

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