在2016杭州云栖大会的“开源数据库之Redis专场”上，来自唯品会的高级数据工程师申政带来了题为《Redis在唯品会的应用实践》的精彩分享。分享中，他主要介绍Redis集群架构演进、Redis使用经验以及唯品会对Redis二次开发实践积累三部分，干货满满，精彩不容错过。
以下内容根据演讲PPT及现场分享整理。
Redis集群架构演进
目前在唯品会内对Redis的使用属于重量级别，目前在唯品会内大概有8000个Redis实例、1000台物理机、500个应用。
上图是唯品会对Redis使用的演进历史图。在2014年7月左右，采用的是客户端分片（Client Sharding）的架构；2014年7月到2015年12月期间，主要采用的是Twemproxy集群模式；从2015年6月至今，唯品会内主要采用Redis Cluster框架。
下面简单介绍上述三种框架的优缺点。
Client Sharding架构
Client Shareding的架构如上图所示，从图上可以看出该架构十分简单稳定，但它需要业务方面自定义Key分布，进而增加了业务开发难度和工作量；其次该架构的在线扩容能力非常弱，并且不能在数据库层面提供Failover能力。
Twemproxy架构
唯品会内对Twemproxy的使用超过2000个实例、800台物理机、150个应用，其框架如上图所示，相比于Client Shareding的架构复杂了很多，通过在Twempoxy层上增加了LVS，既增加了Twempoxy的高可用，又可以在LVS下任意增加或删除Twempoxy节点，很好的支持了增量业务。
Twemproxy负责数据分片，下面可以挂载多个Redis节点，此外架构中通过采用Redis官方提供的HA保证主从之间的高可用。Twemproxy具有很多优点：
- 支持数据自分片和一致性Hash
- 同时支持Redis和MC协议
- 支持pipeline、mget、mset等多Key操作
- Twemproxy自身扩容简单，可以做到用户无感知，降低了业务开发复杂度
事有正反面，在使用Twemproxy过程中也发现其存在很多不足：首先该架构十分复杂，导致机器成本高；其次，Redis和MC扩容比较难；此外，该架构分为三层，每一个环节都可能成为集群的性能瓶颈；客户端的请求需要经过三层的请求链路，导致请求相应时间长；最后尤其值得注意的一点是：它的运维成本很高。
Redis Cluster
Redis Cluster框架如上图所示，从图中可以看出：它是一个无中心框架，集群中每个节点完全对等，任一节点都与其他节点保持一个长连接，通过高速协议维护整个集群的状态信息；并且该架构还提供了自动Failover和在线扩缩容能力；同时采用单层框架，相应时间短；此外，由于该架构中客户端与Redis直接相连，相比于Twemproxy架构，节省了一半的机器开销。
但该架构对客户端依赖非常重，需要智能客户端支持；对Mget、Mset、Pipeline支持不友好。
一些经验
下面分享一下在使用Redis过程中踩过的坑，供大家借鉴。
在使用Twemproxy时，常发现线上同目录实例的内存特别大，达到几G、几十G，甚至比Redis占据的内存还要大。这是因为在业务开发时，一次使用Pipeline过大，命令数量特别多，这是由于Twemproxy是一次性接受完客户端发来的所有数据再转发导致；同时Twemproxy申请的内存申请后不释放，进而导致了内存只增不减。
因此，建议在使用Twemproxy时，一次Pipeline包含的命令量适中，最好不要超过1000个。
按照Twemproxy执行Hash规则，当后端server出现问题时，理论上只会影响当前Server内的Key。但我们遇到的问题是：当其中的一个Server出现问题时，其他Server返回请求都出现问题。这是由Twemproxy代码结构所决定的，它对每一个客户端的链接都有一个队列，当队列头部的请求恰好是出现问题Server的请求（不能响应到Twemproxy），则该请求会将队列中后续的其他Server请求全部卡死，此时这些请求都缓存在Twemproxy，不能相应到客户端，进而导致Twemproxy的内存飙升。
还有一点需要注意：Twemproxy中Timeout参数，默认是永远等待，即便Server没用相应，但其仍认为该Server是正常的，一直等待下去。因此在使用Twemproxy时，务必要注意Timeout参数的设置。
Twemproxy中设计了剔除策略。有时Twemproxy下面挂载的Redis/MC并没有挂掉，网络也没出现问题，但Twemproxy会剔除某些Server。这是由Twemprox自身的设计缺陷导致，在Twemproxy中存在server_connections和server_failure_limit两个参数，前者表示Twemproxy与后端Server建立长连接的数量；后者是Twemproxy与后端server出现问题的连接数，如果连接连续出现问题，则触发剔除策略。
在实际使用时，建议设置server_connections数目小于server_failure_limit，以规避剔除现象的发生。
在使用Twemproxy时，曾出现过这种情况：业务监控客户端连接只有几十个，而Twemproxy端连接却有几千个、甚至上万个。
这是由LVS机制导致的：LVS内有一个专门维护客户端向后端发起连接数量的表，其内置了exprie机制，当连接在15min没有活跃的请求时，会将该连接从表内剔除，而不通知双方。此时，Twemproxy认为该连接是正常的，而客户端发现连接不通时，会新建连接继续发送请求，长此以往，两者的连接数差距越来越大；并且Twemproxy的文件描述符会消耗很快，直到不能再正常建立连接。
为了解决该问题，在Twemproxy中增加了TCPKeepalive功能，完美地规避了该情况的发生。
如果在使用Twemproxy时，发现线上Twemproxy内存监控曲线如上图所示，并且在业务中还用到了Mset命令，基本上可以确定是由Mset引起的内存泄露。
在Mset命令进行拆分时，由于特殊情景导致内存不被释放，进而导致Twemproxy内存越来越大。应对该问题，可以采用重启Twemproxy进行解决。
在使用Redis Cluster的过程中，唯品会积累了一些实践技巧，先总结如下：
- Cluster-require-full-coverage建议为no（官方默认为yes）
- Cluster-node-timeout建议适当增大
- jedisCluster注意捕获异常MaxRedirectionsException（该异常表示命令执行不成功）
- 不建议使用mget、mset等multi-key命令
- 尽量使用官方redis-trib脚本管理集群，不要轻易使用Cluster命令
二次开发
在使用Redis过程中，为了更加满足业务需求，唯品会对其进行了二次开发。
对于Twemproxy，为了保障其高可用性，增加了replace_server命令，当Redis Master挂掉之后，Sentinel调用脚本通过replace_server命令把Twemproxy中的Master替换成Slave。
目前唯品会线上最大的Twemproxy集群用到的实例超过100个，如果想更改Twemproxy配置时，工作量是比较大的。因此，唯品会在Twemproxy集群中集成zookeeper，Twemproxy集群的配置信息统一由Zookeeper管理、分发，用户无感知。
唯品会对MC也进行可二次开发，由于MC中不存在主从概念，但MV集群中其中一个节点挂掉之后会对后端的数据库造成很大的压力。为了解决该问题，在Twemproxy层面增加了复制池（Replication pool）功能，在Master pool和Slave pool之间建立主从关系，客户端同时写入两个pool内；读取时，首先读取Master pool中内容，当Master pool中无数据时，并不会回传到数据库，而是从Slave pool中获取数据，有效减轻由于MC挂掉带给后端数据库的压力。
借鉴Redis，在Twemproxy中增加了Slowlog功能，停留时间；此外，还增加简单统计信息功能，将一天分为几个时间段，每个时间段记录Slowlog次数，便于定位Slowlog和解决Slowlog。
增加多线程功能是对Twemproxy一次大的改动。Twemproxy提供的QPS在几万左右，由于线上每个物理机上只能部署一个Twemproxy，导致了物理机极大地浪费。借鉴MC多线程模型，建立了master线程+N个worker线程多线程模型：master线程负责监听端口，接受新的客户端连接；worker线程负责处理客户端请求。Twemproxy多线程开6个线程时，QPS可以达到35万/s，同时也节约了千万服务器成本。
很多用户在使用Redis Cluster是都会遇到这样问题：flushall删不掉数据；明明Master是存活的，网络也正常，但Cluster却执行了failover。这是因为Redis是单线程的，在执行时间复杂度为O（n）命令时，线程被阻塞，无法响应其他节点的ping命令，造成假死现象，进而导致主从切换。
针对该问题的处理方式是：增加了额外进程监听额外端口（extra-port），当超过cluster-node-timeout/2s时间，ping请求没有收到回复，主动向extra-port发送ping请求。
最初上线Redis cluster时，很多客户端并不是友善支持，因此增加了Redis Cluster客户端功能，在Hiredis上进行功能改造使其支持集群模式，用于：
- 解析并更新路由表
- 处理moved/ask错误
- 内含Max redirect机制
- 支持mget、mset、pipeline、异步API
为了应对Redis集群之间的数据迁移，唯品会开发了Redis Migrate迁移工具，它是基于Redis复制功能的，在迁移过程中，老集群正常对外提供服务；并且支持多线程异构迁移，支持Twemproxy、Redis Cluster、RDB文件和AOF文件恢复；同时迁移过程也可以实时查看；此外，该迁移工具还具有比较完善的数据抽样校验机制，保障迁移数据的一致性。
Redis Migrate具体迁移步骤如上所示，这其中关键点是左侧的配置文件，这里不不再一一叙述。
Reids多线程是目前唯品会正在改造，借鉴于上文提到的Twemproxy多线程改造，将Redis改造成Master+N个worker多线程模型：客户端有worker线程管理；多线程中不可能避免有锁的存在，Redis中存在DB级别读写锁，通过单独后台线程处理过期key和dict维护。
目前Redis多线程实现支持五大数据结构（String/list/hash/set/zset）；支持100个Redis命令（包括管理命令）。
Redis多线程中，为了降低DB锁竞争，引入了逻辑DB。一个逻辑DB包含N个真实物理DB，用户使用的是逻辑DB。一个逻辑DB的所有Key分散在各个物理DB上吗，每个物理DB拥有一把读写锁——pthread_rwlock_t。
上图是Redis处理客户端请求的命令过程，这里不再一一叙述。每个Worker线程都会进行上图六个步骤，DB锁的竞争主要是在第四步和第五步上，其他步骤Worker之间完全并行。
Redis多线程-性能测试
上图是用于Redis多线程性能测试的测试环境配置。
测试用例图上图所示，从图上可以看出SET的效率为34万左右；GET效率为40万左右。
热Key问题是使用Redis中不可避免的问题。在Redis多线程中，遇到热Key首先将其拆分，将其分散到不同的Redis实例中。上图是多线程中针对热Key的性能测试：只写一个key时，四个线程的QPS可以达到30万/s；只读一个Key时，四个线程的QPS可以达到43万/s，一定程度上有效改善了热Key问题。
附录：
文章中提到的唯品会对Redis二次开发的源代码开源地址：http://github.com/vipshop。