面试题：从源码层面分析Redis复制功能过期键处理性能瓶颈的根源及改进思路

Question

深入到Redis的源码层面，分析复制功能中过期键处理在数据同步、过期策略执行等环节产生性能瓶颈的根本原因。基于此分析，提出一套可行的从源码级别改进的思路，并说明改进后对Redis整体架构和性能可能带来的影响。

Answer 1

性能瓶颈根本原因分析

1. 数据同步环节
   • 在Redis复制中，主从节点间数据同步时，主节点发送RDB文件或增量同步数据。对于过期键，若主节点采用定期删除策略，可能在数据同步前还未删除过期键，导致过期键也被同步到从节点。这会增加不必要的数据传输量，尤其在过期键较多时，占用网络带宽，成为性能瓶颈。
   • 从节点在加载RDB文件或处理增量同步数据时，对于过期键，需要额外的处理逻辑来判断是否过期，这增加了从节点的处理负担。例如，在RDB文件加载时，要对每个键值对判断是否过期，若过期键比例高，会影响加载速度。
2. 过期策略执行环节
   • Redis采用惰性删除和定期删除策略。在定期删除中，每次随机抽取一定数量的键检查是否过期并删除。在复制场景下，主从节点都要执行过期策略。若主从节点同时对大量过期键执行定期删除，会竞争CPU资源，特别是在高并发场景下，可能导致主线程卡顿，影响整体性能。
   • 对于主从节点间过期键的一致性维护，若主节点删除了过期键，但未及时通知从节点（例如网络延迟等情况），从节点仍保留过期键，这可能导致数据不一致问题，为了保证一致性而采取的额外措施（如从节点重新校验过期键）也会带来性能开销。

源码级别改进思路

1. 数据同步改进
   • 在主节点生成RDB文件时，可增加一个过滤机制，提前过滤掉过期键，避免过期键被写入RDB文件。例如，在rdb.c中rdbSave函数相关逻辑处，在将键值对写入RDB文件前，调用过期键判断函数（如expireIfNeeded），若键已过期则不写入。
   • 对于增量同步，在主节点记录过期键删除操作日志时，可优化日志格式，使其能更高效地在从节点应用。比如，在replication.c中，对于过期键删除日志记录，增加一个标记位，让从节点能快速识别并处理，而无需进行复杂的键值查找判断。
2. 过期策略执行改进
   • 在主从节点的过期策略执行逻辑上，可采用主节点集中控制过期删除的方式。主节点定期执行过期删除操作后，通过特定的命令（如自定义的过期键同步命令）将删除的过期键列表发送给从节点。从节点接收到列表后直接删除相应键，减少从节点定期删除的开销。在expire.c和replication.c中实现相关逻辑，主节点在activeExpireCycle函数中增加发送过期键列表逻辑，从节点在replicationFeedSlaves等相关函数中处理接收到的过期键列表。
   • 优化过期键的存储结构，例如使用跳表等数据结构存储过期键，使过期键的查找和删除操作更高效。在dict.c中可对过期键的管理数据结构进行调整，用跳表替代部分现有结构，提高过期键操作的时间复杂度。

改进后对Redis整体架构和性能的影响

1. 架构影响
   • 对整体架构来说，增加了主从节点间过期键同步的机制，一定程度上增加了架构的复杂性。但这种复杂性是可控的，且有助于提升数据一致性和性能。主从节点间的交互逻辑需要进行相应调整，以适应新的过期键同步和处理方式。
   • 优化过期键存储结构，可能需要对现有数据结构模块进行修改，如dict.c模块，这可能会对其他依赖该模块的功能产生一定影响，但通过合理的接口设计和代码重构，可以将这种影响降到最低。
2. 性能影响
   • 在性能方面，数据同步环节的改进减少了不必要的数据传输，提升了网络带宽利用率，加快了从节点数据同步速度。例如，在大规模数据同步时，过期键过滤可显著减少RDB文件大小和增量同步数据量。
   • 过期策略执行改进减少了主从节点间CPU资源竞争，提高了主线程处理其他请求的效率。主节点集中控制过期删除并同步过期键列表，避免了从节点重复的过期键检查操作，整体性能得到提升，特别是在高并发场景下，系统的响应速度会更快。