Redis专题（十一） ——Redis虚拟内存

Redis专题（十一） ——Redis虚拟内存

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一、概述

Redis的数据是保存在内存中，当物理内存不足，其会保存在虚拟内存（VM）中。Redis的vm类似操作系统的vm，其会把所有的键都存在内存中，而把部分很少被访问到的值放在硬盘中。

操作系统的vm是基于页的概念，linux每个页4KB，而redis很多对象远小于4KB。另外，redis将交换到磁盘的对象压缩，保存到磁盘的对象可以去除指针和对象元数据，这样可以减少很多的I/O操作。

redis的虚拟内存只能解决value太大的问题，因为其全部key都存在内存中，因此如果是key不足，则无法解决问题。

二、配置

修改相关配置文件，如下：

1、开启vm

         vm-enabledyes

2、value保存在硬盘时的路径

         vm-swap-file  /routetofile/redis.swap

3、最大内存上限，超出时开始使用vm

         vm-max-memory  xx

4、每个页面的大小（字节）

         vm-page-sizexx

5、用于执行value对象换入换出的工作线程数量，通常设置成cpu内核数量

         vm-max-threads 4

三、vm使用规则

redis根据以下算法将value存于vm中：

         swappability= age * log(size_in_memory)

其中age是距离上一次被访问的时间，size_in_memory是value占用内存的大小。由于占用内存较大的value，取出来时消耗的I/O和CPU资源更多，因此在判断该取哪个value时，其权重更低，因此加上log计算。

四、vm开启限制

vm会按规则将部分value保存在硬盘，而redis的数据库备份通常采用rdb，其备份方式是主进程正常提供客户端操作，子进程去进行rdb备份。这可能会出现redis主进程在写vm的时候，正好子进程在备份。

为了避免此情况，redis做了限制，子进程在读vm时（无论是rdb还是aof），主进程不能进行value交换操作（因为通常读完一次value，其age变小，可能会从vm取出，而换新的value进去）。即此时两个进程都采用只读访问swap文件。

五、redis object 与vm pointer

通常key和value都是redis的object，但是当value被移到vm时，其会变成vmpointer。其主要记录的是value在磁盘的信息，如记录对象在swap文件第几页开始、共使用几页等内容。

redisobject和vm pointer 都有一个字段storage，用于判断value此时的位置，共有四种情况：redis_vm_memory（在内存里）、redis_vm_swapped（在磁盘里）、redis_vm_loading（在磁盘里，但目前正在有进程将其加载到内存）、redis_vm_swapping（在内存里，但目前正在有进程将其写入磁盘）

六、交换过程

1、将对象交换到swap文件

1）计算保存这个对象需要占用swap文件中的多少页。在代码中是通过调用函数rdbSavedObjectPages进行计算。

2）在swap文件中寻找一段连续空间保存这个对象。在代码中是通过调用函数vmFindContiguousPages进行计算。

该函数内部是从全部磁盘页中查找n块连续的空闲页，成功时返回redis_ok，并把first参数设置为连续页的开始地址。失败会返回redis_error。

3）把对象写入swap文件。在代码中是通过调用函数vmWriteObjectOnSwap进行计算。

该函数在写入文件之前，会先将swap文件锁住，防止其他进程也在进行此操作。接着把文件指针移动到要写入页的开始地址，并调用rdbSaveObject函数把对象写入swap文件。对象写入文件后，会释放内存，并把对象从redis object转成vm pointer。并且会将storage字段设置成redis_vm_swapped。

2、将对象从swap文件取出到内存

由于vm pointer记录了对象在文件的起始页和所占页数，因此只需要调用vmLoadObject函数，其最终会调用vmReadObjectFromSwap将对象写入内存

在将内存取出的过程中，也会锁住swap文件。

七、阻塞式VM

将上述配置文件中的vm-max-threads设置为0，即不开启多线程，则进行vm时会阻塞。将对象从内存交换到swap文件，发生在cron任务，每100毫秒执行一次。当redis对内存的使用超过设定的vm-max-memory，则会循环调用vmSwapOneObject函数，实现对象交换。

该操作步骤如下：

1）找一个较优的用来交换至swap分区的候选对象。

2）调用vmSwapObjectBlocking将对象所关联的value值交换到硬盘，此函数返回一个vmPointer指针，用于存储value在磁盘中的信息。

3）使用vmSwapObjectBlocking返回的vmPointer替换value对应的redisObject，并把storage设置为redis_vm_swapped，表示value已经交换到磁盘。

4）是否对象关联的value内存。

这个操作每次会释放一个object，因此会循环执行此函数，直到内存的使用下降到配置的vm-max-memory之下。

八、非阻塞式VM

阻塞式VM会导致读取swap文件时，锁住整个redis，这样其他客户端访问不在swap文件的value时，也会延迟。为了避免此问题，redis支持非阻塞式VM，是通过I/O线程实现。

具体来说，redis使用任务队列的方式，每当主线程需要在后台使用I/O线程完成任务，便push一个I/O任务到server.io_newjobs队列。当系统不存在活动I/O线程，便新建一个，会执行这些I/O任务。任务执行完成后，会将结果push到server.io_processed队列。该线程使用unix管道给主进程发送1字节信号，通知主线程有一个新任务已经完成。

——written by linhxx 2017.08.14