Redis 持久化

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1. AOF

AOF(Append Only File) 持久化功能，注意只会记录写操作命令，读操作命令是不会被记录的。

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在 Redis 中 AOF 持久化功能默认是不开启的，需要我们修改 redis.conf 配置文件中的以下参数：

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以「set name xiaolin」命令作为例子，Redis 执行了这条命令后，记录在 AOF 日志里的内容如下图：

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「*3」表示当前命令有三个部分，每部分都是以「$+数字」开头，后面紧跟着具体的命令、键或值。然后，这里的「数字」表示这部分中的命令、键或值一共有多少字节。例如，「$3 set」表示这部分有 3 个字节，也就是「set」命令这个字符串的长度。

先执行写命令再记录 AOF 的好处

  • 避免额外的检查开销

    因为如果先将写操作命令记录到 AOF 日志里，再执行该命令的话，如果当前的命令语法有问题，那么如果不进行命令语法检查，该错误的命令记录到 AOF 日志里后，Redis 在使用日志恢复数据时，就可能会出错。

    而如果先执行写操作命令再记录日志的话，只有在该命令执行成功后，才将命令记录到 AOF 日志里，这样就不用额外的检查开销，保证记录在 AOF 日志里的命令都是可执行并且正确的

  • 不会阻塞当前写操作命令的执行，因为当写操作命令执行成功后，才会将命令记录到 AOF 日志。

缺点

  • 执行写操作命令和记录日志是两个过程，那当 Redis 在还没来得及将命令写入到硬盘时，服务器发生宕机了，这个数据就会有丢失的风险
  • 由于写操作命令执行成功后才记录到 AOF 日志，所以不会阻塞当前写操作命令的执行，但是可能会给「下一个」命令带来阻塞风险。

三种回写策略

Redis 写入 AOF 日志的过程，如下图：

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  1. Redis 执行完写操作命令后，会将命令追加到 server.aof_buf 缓冲区；
  2. 然后通过 write() 系统调用，将 aof_buf 缓冲区的数据写入到 AOF 文件，此时数据并没有写入到硬盘，而是拷贝到了内核缓冲区 page cache，等待内核将数据写入硬盘；
  3. 具体内核缓冲区的数据什么时候写入到硬盘，由内核决定。

Redis 提供了 3 种写回硬盘的策略，在 redis.conf 配置文件中的 appendfsync 配置项可以有以下 3 种参数可填：

  • Always，这个单词的意思是「总是」，所以它的意思是每次写操作命令执行完后，同步将 AOF 日志数据写回硬盘；
  • Everysec，这个单词的意思是「每秒」，所以它的意思是每次写操作命令执行完后，先将命令写入到 AOF 文件的内核缓冲区，然后每隔一秒将缓冲区里的内容写回到硬盘；
  • No，意味着不由 Redis 控制写回硬盘的时机，转交给操作系统控制写回的时机，也就是每次写操作命令执行完后，先将命令写入到 AOF 文件的内核缓冲区，再由操作系统决定何时将缓冲区内容写回硬盘。

这 3 种写回策略都无法能完美解决「主进程阻塞」和「减少数据丢失」的问题，因为两个问题是对立的，偏向于一边的话，就会要牺牲另外一边，原因如下：

  • Always 策略的话，可以最大程度保证数据不丢失，但是由于它每执行一条写操作命令就同步将 AOF 内容写回硬盘，所以是不可避免会影响主进程的性能；
  • No 策略的话，是交由操作系统来决定何时将 AOF 日志内容写回硬盘，相比于 Always 策略性能较好，但是操作系统写回硬盘的时机是不可预知的，如果 AOF 日志内容没有写回硬盘，一旦服务器宕机，就会丢失不定数量的数据。
  • Everysec 策略的话，是折中的一种方式，避免了 Always 策略的性能开销，也比 No 策略更能避免数据丢失，当然如果上一秒的写操作命令日志没有写回到硬盘，发生了宕机，这一秒内的数据自然也会丢失

所以需要根据业务场景进行选择：

  • 如果要高性能，就选择 No 策略；
  • 如果要高可靠，就选择 Always 策略；
  • 如果允许数据丢失一点，但又想性能高，就选择 Everysec 策略。
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实际上三种策略只是在控制fsync()函数的调用时机。

当应用程序向文件写入数据时，内核通常先将数据复制到内核缓冲区中，然后排入队列，然后由内核决定何时写入硬盘。

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如果想要应用程序向文件写入数据后，能立马将数据同步到硬盘，就可以调用 fsync() 函数，这样内核就会将内核缓冲区的数据直接写入到硬盘，等到硬盘写操作完成后，该函数才会返回。

  • Always 策略就是每次写入 AOF 文件数据后，就执行 fsync() 函数；
  • Everysec 策略就会创建一个异步任务来执行 fsync() 函数；
  • No 策略就是永不执行 fsync() 函数

AOF 重写

AOF 日志是一个文件，随着执行的写操作命令越来越多，文件的大小会越来越大。

如果当 AOF 日志文件过大就会带来性能问题，比如重启 Redis 后，需要读 AOF 文件的内容以恢复数据，如果文件过大，整个恢复的过程就会很慢。

所以，Redis 为了避免 AOF 文件越写越大，提供了 AOF 重写机制，当 AOF 文件的大小超过所设定的阈值后，Redis 就会启用 AOF 重写机制，来压缩 AOF 文件。

AOF 重写机制是在重写时，读取当前数据库中的所有键值对，然后将每一个键值对用一条命令记录到「新的 AOF 文件」，等到全部记录完后，就将新的 AOF 文件替换掉现有的 AOF 文件。

举个例子，在没有使用重写机制前，假设前后执行了「set name xiaolin」和「set name xiaolincoding」这两个命令的话，就会将这两个命令记录到 AOF 文件。

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但是在使用重写机制后，就会读取 name 最新的 value（键值对） ，然后用一条 「set name xiaolincoding」命令记录到新的 AOF 文件，之前的第一个命令就没有必要记录了，因为它属于「历史」命令，没有作用了。这样一来，一个键值对在重写日志中只用一条命令就行了。

重写工作完成后，就会将新的 AOF 文件覆盖现有的 AOF 文件，这就相当于压缩了 AOF 文件，使得 AOF 文件体积变小了。

然后，在通过 AOF 日志恢复数据时，只用执行这条命令，就可以直接完成这个键值对的写入了。

AOF 重写的核心在于，尽管某个键值对被多条写命令反复修改，最终也只需要根据这个「键值对」当前的最新状态，然后用一条命令去记录键值对，代替之前记录这个键值对的多条命令，这样就减少了 AOF 文件中的命令数量。最后在重写工作完成后，将新的 AOF 文件覆盖现有的 AOF 文件。

AOF 重写使用新文件，而不是直接修改原始文件，是为了避免 AOF 重写失败导致原始文件被污染。

后台重写

写入 AOF 日志的操作虽然是在主进程完成的，因为它写入的内容不多，所以一般不太影响命令的操作。

但是在触发 AOF 重写时，比如当 AOF 文件大于 64M 时，就会对 AOF 文件进行重写，这时是需要读取所有缓存的键值对数据，并为每个键值对生成一条命令，然后将其写入到新的 AOF 文件，重写完后，就把现在的 AOF 文件替换掉。

这个过程其实是很耗时的，所以重写的操作不能放在主进程里。

Redis 的重写 AOF 过程是由后台子进程 *bgrewriteaof* 来完成的，这么做可以达到两个好处：

  • 子进程进行 AOF 重写期间，主进程可以继续处理命令请求，从而避免阻塞主进程；
  • 子进程带有主进程的数据副本，这里使用子进程而不是线程，因为如果是使用线程，多线程之间会共享内存，那么在修改共享内存数据的时候，需要通过加锁来保证数据的安全，而这样就会降低性能。而使用子进程，创建子进程时，父子进程是共享内存数据的，不过这个共享的内存只能以只读的方式，而当父子进程任意一方修改了该共享内存，就会发生「写时复制」，于是父子进程就有了独立的数据副本，就不用加锁来保证数据安全。

主进程在通过 fork 系统调用生成 bgrewriteaof 子进程时，操作系统会把主进程的「页表」复制一份给子进程，这个页表记录着虚拟地址和物理地址映射关系，而不会复制物理内存，也就是说，两者的虚拟空间不同，但其对应的物理空间是同一个。

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这样一来，子进程就共享了父进程的物理内存数据了，这样能够节约物理内存资源，页表对应的页表项的属性会标记该物理内存的权限为只读。

当父进程或者子进程在向这个内存发起写操作时，CPU 就会触发写保护中断，这个写保护中断是由于违反权限导致的，然后操作系统会在「写保护中断处理函数」里进行物理内存的复制，并重新设置其内存映射关系，将父子进程的内存读写权限设置为可读写，最后才会对内存进行写操作，这个过程被称为「写时复制(*Copy On Write*)」。

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在发生写操作的时候，操作系统才会去复制物理内存，这样是为了防止 fork 创建子进程时，由于物理内存数据的复制时间过长而导致父进程长时间阻塞的问题。

有两个阶段会导致阻塞父进程：

  • 创建子进程的途中，由于要复制父进程的页表等数据结构，阻塞的时间跟页表的大小有关，页表越大，阻塞的时间也越长；
  • 创建完子进程后，如果子进程或者父进程修改了共享数据，就会发生写时复制，这期间会拷贝物理内存，如果内存越大，自然阻塞的时间也越长；

触发重写机制后，主进程就会创建重写 AOF 的子进程，此时父子进程共享物理内存，重写子进程只会对这个内存进行只读，重写 AOF 子进程会读取数据库里的所有数据，并逐一把内存数据的键值对转换成一条命令，再将命令记录到重写日志（新的 AOF 文件）。

但是子进程重写过程中，主进程依然可以正常处理命令。

如果此时主进程修改了已经存在 key-value，就会发生写时复制，注意这里只会复制主进程修改的物理内存数据，没修改物理内存还是与子进程共享的。

重写缓冲区

重写 AOF 日志过程中，如果主进程修改了已经存在 key-value，此时这个 key-value 数据在子进程的内存数据就跟主进程的内存数据不一致了。

为了解决此问题，Redis 设置了一个 AOF 重写缓冲区，这个缓冲区在创建 bgrewriteaof 子进程之后开始使用。

在重写 AOF 期间，当 Redis 执行完一个写命令之后，它会同时将这个写命令写入到 「AOF 缓冲区」和 「AOF 重写缓冲区」。

在这里插入图片描述
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在 bgrewriteaof 子进程执行 AOF 重写期间，主进程需要执行以下三个工作:

  • 执行客户端发来的命令；
  • 将执行后的写命令追加到 「AOF 缓冲区」；
  • 将执行后的写命令追加到 「AOF 重写缓冲区」；

当子进程完成 AOF 重写工作（扫描数据库中所有数据，逐一把内存数据的键值对转换成一条命令，再将命令记录到重写日志）后，会向主进程发送一条信号，信号是进程间通讯的一种方式，且是异步的。

主进程收到该信号后，会调用一个信号处理函数，该函数主要做以下工作：

  • 将 AOF 重写缓冲区中的所有内容追加到新的 AOF 的文件中，使得新旧两个 AOF 文件所保存的数据库状态一致；
  • 新的 AOF 的文件进行改名，覆盖现有的 AOF 文件。

信号函数执行完后，主进程就可以继续像往常一样处理命令了。

在整个 AOF 后台重写过程中，除了发生写时复制会对主进程造成阻塞，还有信号处理函数执行时也会对主进程造成阻塞，在其他时候，AOF 后台重写都不会阻塞主进程。

小结

  • AOF 方法，这个方法是每执行一条写操作命令，就将该命令以追加的方式写入到 AOF 文件，然后在恢复时，以逐一执行命令的方式来进行数据恢复。

  • Redis 提供了三种将 AOF 日志写回硬盘的策略：

    • Always

    • Everysec

    • No

  • 为了避免日志文件过大， Redis 提供了 AOF 重写机制 会直接扫描数据中所有的键值对数据，然后为每一个键值对生成一条写操作命令，接着将该命令写入到新的 AOF 文件，重写完成后，就替换掉现有的 AOF 日志。重写的过程是由后台子进程完成的，这样可以使得主进程可以继续正常处理命令。

2. RDB

Redis 提供了两个命令来生成 RDB 文件，分别是 save 和 bgsave，他们的区别就在于是否在「主线程」里执行：

  • 执行了 save 命令，就会在主线程生成 RDB 文件，由于和执行操作命令在同一个线程，所以如果写入 RDB 文件的时间太长，会阻塞主线程；
  • 执行了 bgsave 命令，会创建一个子进程来生成 RDB 文件，这样可以避免主线程的阻塞；

RDB 文件的加载工作是在服务器启动时自动执行的，Redis 并没有提供专门用于加载 RDB 文件的命令。

Redis 还可以通过配置文件的选项来实现每隔一段时间自动执行一次 bgsave 命令，默认会提供以下配置：

save 900 1
save 300 10
save 60 10000
  • 900 秒之内，对数据库进行了至少 1 次修改；
  • 300 秒之内，对数据库进行了至少 10 次修改；
  • 60 秒之内，对数据库进行了至少 10000 次修改。

Redis 的快照是全量快照，也就是说每次执行快照，都是把内存中的「所有数据」都记录到磁盘中。

执行快照时，数据可以被修改么

执行 bgsave 过程中，Redis 依然可以继续处理操作命令的，也就是数据是能被修改的。

写时复制技术（Copy-On-Write, COW）

执行 bgsave 命令的时候，会通过 fork() 创建子进程，此时子进程和父进程是共享同一片内存数据的，因为创建子进程的时候，会复制父进程的页表，但是页表指向的物理内存还是一个。

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只有在发生修改内存数据的情况时，物理内存才会被复制一份。

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这样的目的是为了减少创建子进程时的性能损耗，从而加快创建子进程的速度，毕竟创建子进程的过程中，是会阻塞主线程的。

所以，创建 bgsave 子进程后，由于共享父进程的所有内存数据，于是就可以直接读取主线程（父进程）里的内存数据，并将数据写入到 RDB 文件。

当主线程（父进程）对这些共享的内存数据也都是只读操作，那么，主线程（父进程）和 bgsave 子进程相互不影响。

如果主线程（父进程）要修改共享数据里的某一块数据（比如键值对 A）时，就会发生写时复制，于是这块数据的物理内存就会被复制一份（键值对 A'），然后主线程在这个数据副本（键值对 A'）进行修改操作。与此同时，bgsave 子进程可以继续把原来的数据（键值对 A）写入到 RDB 文件。

Redis 使用 bgsave 对当前内存中的所有数据做快照，这个操作是由 bgsave 子进程在后台完成的，执行时不会阻塞主线程，这就使得主线程同时可以修改数据。

缺点

  • bgsave 快照过程中，如果主线程修改了共享数据，发生了写时复制后，RDB 快照保存的是原本的内存数据，而主线程刚修改的数据，是没办法在这一时间写入 RDB 文件的，只能交由下一次的 bgsave 快照。

  • 如果系统恰好在 RDB 快照文件创建完毕后崩溃了，那么 Redis 将会丢失主线程在快照期间修改的数据。

  • 在 Redis 执行 RDB 持久化期间，刚 fork 时，主进程和子进程共享同一物理内存，但是途中主进程处理了写操作，修改了共享内存，于是当前被修改的数据的物理内存就会被复制一份。

    那么极端情况下，如果所有的共享内存都被修改，则此时的内存占用是原先的 2 倍。

    所以，针对写操作多的场景，我们要留意下快照过程中内存的变化，防止内存被占满了

3. 混合持久化

混合使用 AOF 日志和内存快照

如果想要开启混合持久化功能，可以在 Redis 配置文件将下面这个配置项设置成 yes：

aof-use-rdb-preamble yes

混合持久化工作在 AOF 日志重写过程。

当开启了混合持久化时，在 AOF 重写日志时，fork 出来的重写子进程会先将与主线程共享的内存数据以 RDB 方式写入到 AOF 文件，然后主线程处理的操作命令会被记录在重写缓冲区里，重写缓冲区里的增量命令会以 AOF 方式写入到 AOF 文件，写入完成后通知主进程将新的含有 RDB 格式和 AOF 格式的 AOF 文件替换旧的的 AOF 文件。

也就是说，使用了混合持久化，AOF 文件的前半部分是 RDB 格式的全量数据，后半部分是 AOF 格式的增量数据。

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这样的好处在于，重启 Redis 加载数据的时候，由于前半部分是 RDB 内容，这样加载的时候速度会很快。

加载完 RDB 的内容后，才会加载后半部分的 AOF 内容，这里的内容是 Redis 后台子进程重写 AOF 期间，主线程处理的操作命令，可以使得数据更少的丢失

4. 大 KV 对 持久化的影响

AOF

AOF 有三种回写策略：

  • Always：每次写操作命令执行完后，同步将 AOF 日志数据写回硬盘；
  • Everysec：每次写操作命令执行完后，先将命令写入到 AOF 文件的内核缓冲区，然后每隔一秒将缓冲区里的内容写回到硬盘；
  • No：不由 Redis 控制写回硬盘的时机，转交给操作系统控制写回的时机，也就是每次写操作命令执行完后，先将命令写入到 AOF 文件的内核缓冲区，再由操作系统决定何时将缓冲区内容写回硬盘

这三种策略只是在控制 fsync() 函数的调用时机

当应用程序向文件写入数据时，内核通常先将数据复制到内核缓冲区中，然后排入队列，然后由内核决定何时写入硬盘。

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如果想要应用程序向文件写入数据后，能立马将数据同步到硬盘，就可以调用 fsync() 函数，这样内核就会将内核缓冲区的数据直接写入到硬盘，等到硬盘写操作完成后，该函数才会返回。

  • Always 策略就是每次写入 AOF 文件数据后，就执行 fsync() 函数；
  • Everysec 策略就会创建一个异步任务来执行 fsync() 函数；
  • No 策略就是永不执行 fsync() 函数;

在使用 Always 策略的时候，主线程在执行完命令后，会把数据写入到 AOF 日志文件，然后会调用 fsync() 函数，将内核缓冲区的数据直接写入到硬盘，等到硬盘写操作完成后，该函数才会返回。

  • 当使用 Always 策略的时候，如果写入是一个大 Key，主线程在执行 fsync() 函数的时候，阻塞的时间会比较久，因为当写入的数据量很大的时候，数据同步到硬盘这个过程是很耗时的。

  • 当使用 Everysec 策略的时候，由于是异步执行 fsync() 函数，所以大 Key 持久化的过程（数据同步磁盘）不会影响主线程。

  • 当使用 No 策略的时候，由于永不执行 fsync() 函数，所以大 Key 持久化的过程不会影响主线程

AOF 重写和 RDB

当 AOF 日志写入了很多的大 Key，AOF 日志文件的大小会很大，那么很快就会触发 AOF 重写机制。

AOF 重写机制和 RDB 快照（bgsave 命令）的过程，都会分别通过 fork() 函数创建一个子进程来处理任务。

在创建子进程的过程中，操作系统会把父进程的「页表」复制一份给子进程，这个页表记录着虚拟地址和物理地址映射关系，而不会复制物理内存，也就是说，两者的虚拟空间不同，但其对应的物理空间是同一个。

img 这样一来，子进程就共享了父进程的物理内存数据了，这样能够节约物理内存资源，页表对应的页表项的属性会标记该物理内存的权限为只读。

随着 Redis 存在越来越多的大 Key，那么 Redis 就会占用很多内存，对应的页表就会越大。

在通过 fork() 函数创建子进程的时候，虽然不会复制父进程的物理内存，但是内核会把父进程的页表复制一份给子进程，如果页表很大，那么这个复制过程是会很耗时的，那么在执行 fork 函数的时候就会发生阻塞现象。

而且，fork 函数是由 Redis 主线程调用的，如果 fork 函数发生阻塞，那么意味着就会阻塞 Redis 主线程。由于 Redis 执行命令是在主线程处理的，所以当 Redis 主线程发生阻塞，就无法处理后续客户端发来的命令。

我们可以执行 info 命令获取到 latest_fork_usec 指标，表示 Redis 最近一次 fork 操作耗时。

# 最近一次 fork 操作耗时
latest_fork_usec:315

如果 fork 耗时很大，比如超过1秒，则需要做出优化调整：

  • 单个实例的内存占用控制在 10 GB 以下，这样 fork 函数就能很快返回。
  • 如果 Redis 只是当作纯缓存使用，不关心 Redis 数据安全性问题，可以考虑关闭 AOF 和 AOF 重写，这样就不会调用 fork 函数了。
  • 在主从架构中，要适当调大 repl-backlog-size，避免因为 repl_backlog_buffer 不够大，导致主节点频繁地使用全量同步的方式，全量同步的时候，是会创建 RDB 文件的，也就是会调用 fork 函数

当父进程或者子进程在向共享内存发起写操作时，CPU 就会触发写保护中断，这个「写保护中断」是由于违反权限导致的，然后操作系统会在「写保护中断处理函数」里进行物理内存的复制，并重新设置其内存映射关系，将父子进程的内存读写权限设置为可读写，最后才会对内存进行写操作，这个过程被称为「写时复制(Copy On Write)」。

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写时复制顾名思义，在发生写操作的时候，操作系统才会去复制物理内存，这样是为了防止 fork 创建子进程时，由于物理内存数据的复制时间过长而导致父进程长时间阻塞的问题。

如果创建完子进程后，父进程对共享内存中的大 Key 进行了修改，那么内核就会发生写时复制，会把物理内存复制一份，由于大 Key 占用的物理内存是比较大的，那么在复制物理内存这一过程中，也是比较耗时的，于是父进程（主线程）就会发生阻塞。

所以，有两个阶段会导致阻塞父进程：

  • 创建子进程的途中，由于要复制父进程的页表等数据结构，阻塞的时间跟页表的大小有关，页表越大，阻塞的时间也越长；
  • 创建完子进程后，如果子进程或者父进程修改了共享数据，就会发生写时复制，这期间会拷贝物理内存，如果内存越大，自然阻塞的时间也越长

小结

当 AOF 写回策略配置了 Always 策略，如果写入是一个大 Key，主线程在执行 fsync() 函数的时候，阻塞的时间会比较久，因为当写入的数据量很大的时候，数据同步到硬盘这个过程是很耗时的。

AOF 重写机制和 RDB 快照（bgsave 命令）的过程，都会分别通过 fork() 函数创建一个子进程来处理任务。会有两个阶段会导致阻塞父进程（主线程）：

  • 创建子进程的途中，由于要复制父进程的页表等数据结构，阻塞的时间跟页表的大小有关，页表越大，阻塞的时间也越长；
  • 创建完子进程后，如果父进程修改了共享数据中的大 Key，就会发生写时复制，这期间会拷贝物理内存，由于大 Key 占用的物理内存会很大，那么在复制物理内存这一过程，就会比较耗时，所以有可能会阻塞父进程。

大 key 除了会影响持久化之外，还会有以下的影响。

  • 客户端超时阻塞。由于 Redis 执行命令是单线程处理，然后在操作大 key 时会比较耗时，那么就会阻塞 Redis，从客户端这一视角看，就是很久很久都没有响应。
  • 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，这对于普通千兆网卡的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，这样就没办法处理后续的命令。
  • 内存分布不均。集群模型在 slot 分片均匀情况下，会出现数据和查询倾斜情况，部分有大 key 的 Redis 节点占用内存多，QPS 也会比较大。

如何避免大 Key 呢？

最好在设计阶段，就把大 key 拆分成一个一个小 key。或者，定时检查 Redis 是否存在大 key ，如果该大 key 是可以删除的，不要使用 DEL 命令删除，因为该命令删除过程会阻塞主线程，而是用 unlink 命令（Redis 4.0+）删除大 key，因为该命令的删除过程是异步的，不会阻塞主线程

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