redis是目前最火爆的內(nèi)存數(shù)據(jù)庫之一，通過在內(nèi)存中讀寫數(shù)據(jù)，大大提高了讀寫速度，可以說redis是實現(xiàn)網(wǎng)站高并發(fā)不可或缺的一部分。【推薦學習：redis視頻教程】

我們使用Redis時，會接觸Redis的5種對象類型（字符串、哈希、列表、集合、有序集合），豐富的類型是Redis相對于memcached等的一大優(yōu)勢。在了解Redis的5種對象類型的用法和特點的基礎(chǔ)上，進一步了解Redis的內(nèi)存模型，對Redis的使用有很大幫助，例如：

1、估算Redis內(nèi)存使用量。目前為止，內(nèi)存的使用成本仍然相對較高，使用內(nèi)存不能無所顧忌；根據(jù)需求合理的評估Redis的內(nèi)存使用量，選擇合適的機器配置，可以在滿足需求的情況下節(jié)約成本。

2、優(yōu)化內(nèi)存占用。了解Redis內(nèi)存模型可以選擇更合適的數(shù)據(jù)類型和編碼，更好的利用Redis內(nèi)存。

3、分析解決問題。當Redis出現(xiàn)阻塞、內(nèi)存占用等問題時，盡快發(fā)現(xiàn)導致問題的原因，便于分析解決問題。

這篇文章主要介紹Redis的內(nèi)存模型（以3.0為例），包括Redis占用內(nèi)存的情況及如何查詢、不同的對象類型在內(nèi)存中的編碼方式、內(nèi)存分配器(jemalloc)、簡單動態(tài)字符串(SDS)、RedisObject等；然后在此基礎(chǔ)上介紹幾個Redis內(nèi)存模型的應(yīng)用。

一、Redis內(nèi)存統(tǒng)計

工欲善其事必先利其器，在說明Redis內(nèi)存之前首先說明如何統(tǒng)計Redis使用內(nèi)存的情況。

在客戶端通過redis-cli連接服務(wù)器后（后面如無特殊說明，客戶端一律使用redis-cli），通過info命令可以查看內(nèi)存使用情況：

info?memory

其中，info命令可以顯示redis服務(wù)器的許多信息，包括服務(wù)器基本信息、CPU、內(nèi)存、持久化、客戶端連接信息等等；memory是參數(shù)，表示只顯示內(nèi)存相關(guān)的信息。

返回結(jié)果中比較重要的幾個說明如下：

（1）used_memory：Redis分配器分配的內(nèi)存總量（單位是字節(jié)），包括使用的虛擬內(nèi)存（即swap）；Redis分配器后面會介紹。used_memory_human只是顯示更友好。

（2）used_memory_rss：Redis進程占據(jù)操作系統(tǒng)的內(nèi)存（單位是字節(jié)），與top及ps命令看到的值是一致的；除了分配器分配的內(nèi)存之外，used_memory_rss還包括進程運行本身需要的內(nèi)存、內(nèi)存碎片等，但是不包括虛擬內(nèi)存。

因此，used_memory和used_memory_rss，前者是從Redis角度得到的量，后者是從操作系統(tǒng)角度得到的量。二者之所以有所不同，一方面是因為內(nèi)存碎片和Redis進程運行需要占用內(nèi)存，使得前者可能比后者小，另一方面虛擬內(nèi)存的存在，使得前者可能比后者大。

由于在實際應(yīng)用中，Redis的數(shù)據(jù)量會比較大，此時進程運行占用的內(nèi)存與Redis數(shù)據(jù)量和內(nèi)存碎片相比，都會小得多；因此used_memory_rss和used_memory的比例，便成了衡量Redis內(nèi)存碎片率的參數(shù)；這個參數(shù)就是mem_fragmentation_ratio。

（3）mem_fragmentation_ratio：內(nèi)存碎片比率，該值是used_memory_rss / used_memory的比值。

mem_fragmentation_ratio一般大于1，且該值越大，內(nèi)存碎片比例越大。mem_fragmentation_ratio

一般來說，mem_fragmentation_ratio在1.03左右是比較健康的狀態(tài)（對于jemalloc來說）；上面截圖中的mem_fragmentation_ratio值很大，是因為還沒有向Redis中存入數(shù)據(jù)，Redis進程本身運行的內(nèi)存使得used_memory_rss 比used_memory大得多。

（4）mem_allocator：Redis使用的內(nèi)存分配器，在編譯時指定；可以是 libc 、jemalloc或者tcmalloc，默認是jemalloc；截圖中使用的便是默認的jemalloc。

二、Redis內(nèi)存劃分

Redis作為內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，在內(nèi)存中存儲的內(nèi)容主要是數(shù)據(jù)（鍵值對）；通過前面的敘述可以知道，除了數(shù)據(jù)以外，Redis的其他部分也會占用內(nèi)存。

Redis的內(nèi)存占用主要可以劃分為以下幾個部分：

1、數(shù)據(jù)

作為數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)是最主要的部分；這部分占用的內(nèi)存會統(tǒng)計在used_memory中。

Redis使用鍵值對存儲數(shù)據(jù)，其中的值（對象）包括5種類型，即字符串、哈希、列表、集合、有序集合。這5種類型是Redis對外提供的，實際上，在Redis內(nèi)部，每種類型可能有2種或更多的內(nèi)部編碼實現(xiàn)；此外，Redis在存儲對象時，并不是直接將數(shù)據(jù)扔進內(nèi)存，而是會對對象進行各種包裝：如redisObject、SDS等；這篇文章后面將重點介紹Redis中數(shù)據(jù)存儲的細節(jié)。

2、進程本身運行需要的內(nèi)存

Redis主進程本身運行肯定需要占用內(nèi)存，如代碼、常量池等等；這部分內(nèi)存大約幾兆，在大多數(shù)生產(chǎn)環(huán)境中與Redis數(shù)據(jù)占用的內(nèi)存相比可以忽略。這部分內(nèi)存不是由jemalloc分配，因此不會統(tǒng)計在used_memory中。

補充說明：除了主進程外，Redis創(chuàng)建的子進程運行也會占用內(nèi)存，如Redis執(zhí)行AOF、RDB重寫時創(chuàng)建的子進程。當然，這部分內(nèi)存不屬于Redis進程，也不會統(tǒng)計在used_memory和used_memory_rss中。

3、緩沖內(nèi)存

緩沖內(nèi)存包括客戶端緩沖區(qū)、復(fù)制積壓緩沖區(qū)、AOF緩沖區(qū)等；其中，客戶端緩沖存儲客戶端連接的輸入輸出緩沖；復(fù)制積壓緩沖用于部分復(fù)制功能；AOF緩沖區(qū)用于在進行AOF重寫時，保存最近的寫入命令。在了解相應(yīng)功能之前，不需要知道這些緩沖的細節(jié)；這部分內(nèi)存由jemalloc分配，因此會統(tǒng)計在used_memory中。

4、內(nèi)存碎片

內(nèi)存碎片是Redis在分配、回收物理內(nèi)存過程中產(chǎn)生的。例如，如果對數(shù)據(jù)的更改頻繁，而且數(shù)據(jù)之間的大小相差很大，可能導致redis釋放的空間在物理內(nèi)存中并沒有釋放，但redis又無法有效利用，這就形成了內(nèi)存碎片。內(nèi)存碎片不會統(tǒng)計在used_memory中。

內(nèi)存碎片的產(chǎn)生與對數(shù)據(jù)進行的操作、數(shù)據(jù)的特點等都有關(guān)；此外，與使用的內(nèi)存分配器也有關(guān)系：如果內(nèi)存分配器設(shè)計合理，可以盡可能的減少內(nèi)存碎片的產(chǎn)生。后面將要說到的jemalloc便在控制內(nèi)存碎片方面做的很好。

如果Redis服務(wù)器中的內(nèi)存碎片已經(jīng)很大，可以通過安全重啟的方式減小內(nèi)存碎片：因為重啟之后，Redis重新從備份文件中讀取數(shù)據(jù)，在內(nèi)存中進行重排，為每個數(shù)據(jù)重新選擇合適的內(nèi)存單元，減小內(nèi)存碎片。

三、Redis數(shù)據(jù)存儲的細節(jié)

1、概述

關(guān)于Redis數(shù)據(jù)存儲的細節(jié)，涉及到內(nèi)存分配器（如jemalloc）、簡單動態(tài)字符串（SDS）、5種對象類型及內(nèi)部編碼、redisObject。在講述具體內(nèi)容之前，先說明一下這幾個概念之間的關(guān)系。

下圖是執(zhí)行set hello world時，所涉及到的數(shù)據(jù)模型。

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圖片來源：https://searchdatabase.techtarget.com.cn/7-20218/

（1）dictEntry：Redis是Key-Value數(shù)據(jù)庫，因此對每個鍵值對都會有一個dictEntry，里面存儲了指向Key和Value的指針；next指向下一個dictEntry，與本Key-Value無關(guān)。

（2）Key：圖中右上角可見，Key（”hello”）并不是直接以字符串存儲，而是存儲在SDS結(jié)構(gòu)中。

（3）redisObject：Value(“world”)既不是直接以字符串存儲，也不是像Key一樣直接存儲在SDS中，而是存儲在redisObject中。實際上，不論Value是5種類型的哪一種，都是通過redisObject來存儲的；而redisObject中的type字段指明了Value對象的類型，ptr字段則指向?qū)ο笏诘牡刂贰２贿^可以看出，字符串對象雖然經(jīng)過了redisObject的包裝，但仍然需要通過SDS存儲。

實際上，redisObject除了type和ptr字段以外，還有其他字段圖中沒有給出，如用于指定對象內(nèi)部編碼的字段；后面會詳細介紹。

（4）jemalloc：無論是DictEntry對象，還是redisObject、SDS對象，都需要內(nèi)存分配器（如jemalloc）分配內(nèi)存進行存儲。以DictEntry對象為例，有3個指針組成，在64位機器下占24個字節(jié)，jemalloc會為它分配32字節(jié)大小的內(nèi)存單元。

下面來分別介紹jemalloc、redisObject、SDS、對象類型及內(nèi)部編碼。

2、jemalloc

Redis在編譯時便會指定內(nèi)存分配器；內(nèi)存分配器可以是 libc 、jemalloc或者tcmalloc，默認是jemalloc。

jemalloc作為Redis的默認內(nèi)存分配器，在減小內(nèi)存碎片方面做的相對比較好。jemalloc在64位系統(tǒng)中，將內(nèi)存空間劃分為小、大、巨大三個范圍；每個范圍內(nèi)又劃分了許多小的內(nèi)存塊單位；當Redis存儲數(shù)據(jù)時，會選擇大小最合適的內(nèi)存塊進行存儲。

jemalloc劃分的內(nèi)存單元如下圖所示：

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圖片來源：http://blog.csdn.net/zhengpeitao/article/details/76573053

例如，如果需要存儲大小為130字節(jié)的對象，jemalloc會將其放入160字節(jié)的內(nèi)存單元中。

3、redisObject

前面說到，Redis對象有5種類型；無論是哪種類型，Redis都不會直接存儲，而是通過redisObject對象進行存儲。

redisObject對象非常重要，Redis對象的類型、內(nèi)部編碼、內(nèi)存回收、共享對象等功能，都需要redisObject支持，下面將通過redisObject的結(jié)構(gòu)來說明它是如何起作用的。

redisObject的定義如下（不同版本的Redis可能稍稍有所不同）：

typedef?struct?redisObject?{ 　　unsigned?type:4; 　　unsigned?encoding:4; 　　unsigned?lru:REDIS_LRU_BITS;?/*?lru?time?(relative?to?server.lruclock)?*/ 　　int?refcount; 　　void?*ptr; }?robj;

redisObject的每個字段的含義和作用如下：

（1）type

type字段表示對象的類型，占4個比特；目前包括REDIS_String(字符串)、REDIS_LIST (列表)、REDIS_HASH(哈希)、REDIS_SET(集合)、REDIS_ZSET(有序集合)。

當我們執(zhí)行type命令時，便是通過讀取RedisObject的type字段獲得對象的類型；如下圖所示：

（2）encoding

encoding表示對象的內(nèi)部編碼，占4個比特。

對于Redis支持的每種類型，都有至少兩種內(nèi)部編碼，例如對于字符串，有int、embstr、raw三種編碼。通過encoding屬性，Redis可以根據(jù)不同的使用場景來為對象設(shè)置不同的編碼，大大提高了Redis的靈活性和效率。以列表對象為例，有壓縮列表和雙端鏈表兩種編碼方式；如果列表中的元素較少，Redis傾向于使用壓縮列表進行存儲，因為壓縮列表占用內(nèi)存更少，而且比雙端鏈表可以更快載入；當列表對象元素較多時，壓縮列表就會轉(zhuǎn)化為更適合存儲大量元素的雙端鏈表。

通過object encoding命令，可以查看對象采用的編碼方式，如下圖所示：

5種對象類型對應(yīng)的編碼方式以及使用條件，將在后面介紹。

（3）lru

lru記錄的是對象最后一次被命令程序訪問的時間，占據(jù)的比特數(shù)不同的版本有所不同（如4.0版本占24比特，2.6版本占22比特）。

通過對比lru時間與當前時間，可以計算某個對象的空轉(zhuǎn)時間；object idletime命令可以顯示該空轉(zhuǎn)時間（單位是秒）。object idletime命令的一個特殊之處在于它不改變對象的lru值。

lru值除了通過object idletime命令打印之外，還與Redis的內(nèi)存回收有關(guān)系：如果Redis打開了maxmemory選項，且內(nèi)存回收算法選擇的是volatile-lru或allkeys—lru，那么當Redis內(nèi)存占用超過maxmemory指定的值時，Redis會優(yōu)先選擇空轉(zhuǎn)時間最長的對象進行釋放。

（4）refcount

refcount與共享對象

refcount記錄的是該對象被引用的次數(shù)，類型為整型。refcount的作用，主要在于對象的引用計數(shù)和內(nèi)存回收。當創(chuàng)建新對象時，refcount初始化為1；當有新程序使用該對象時，refcount加1；當對象不再被一個新程序使用時，refcount減1；當refcount變?yōu)?時，對象占用的內(nèi)存會被釋放。

Redis中被多次使用的對象(refcount>1)，稱為共享對象。Redis為了節(jié)省內(nèi)存，當有一些對象重復(fù)出現(xiàn)時，新的程序不會創(chuàng)建新的對象，而是仍然使用原來的對象。這個被重復(fù)使用的對象，就是共享對象。目前共享對象僅支持整數(shù)值的字符串對象。

共享對象的具體實現(xiàn)

Redis的共享對象目前只支持整數(shù)值的字符串對象。之所以如此，實際上是對內(nèi)存和CPU（時間）的平衡：共享對象雖然會降低內(nèi)存消耗，但是判斷兩個對象是否相等卻需要消耗額外的時間。對于整數(shù)值，判斷操作復(fù)雜度為O(1)；對于普通字符串，判斷復(fù)雜度為O(n)；而對于哈希、列表、集合和有序集合，判斷的復(fù)雜度為O(n^2)。

雖然共享對象只能是整數(shù)值的字符串對象，但是5種類型都可能使用共享對象（如哈希、列表等的元素可以使用）。

就目前的實現(xiàn)來說，Redis服務(wù)器在初始化時，會創(chuàng)建10000個字符串對象，值分別是0~9999的整數(shù)值；當Redis需要使用值為0~9999的字符串對象時，可以直接使用這些共享對象。10000這個數(shù)字可以通過調(diào)整參數(shù)REDIS_SHARED_INTEGERS（4.0中是OBJ_SHARED_INTEGERS）的值進行改變。

共享對象的引用次數(shù)可以通過object refcount命令查看，如下圖所示。命令執(zhí)行的結(jié)果頁佐證了只有0~9999之間的整數(shù)會作為共享對象。

（5）ptr

ptr指針指向具體的數(shù)據(jù)，如前面的例子中，set hello world，ptr指向包含字符串world的SDS。

（6）總結(jié)

綜上所述，redisObject的結(jié)構(gòu)與對象類型、編碼、內(nèi)存回收、共享對象都有關(guān)系；一個redisObject對象的大小為16字節(jié)：

4bit+4bit+24bit+4Byte+8Byte=16Byte。

4、SDS

Redis沒有直接使用C字符串(即以空字符’