面试题：Redis主从复制场景下过期键处理对系统性能的影响及优化

Question

在Redis主从复制环境中，过期键的处理操作会对系统整体性能产生一定影响。请分析可能存在哪些性能问题，并说明针对这些问题可以采取哪些优化策略。

Answer 1

可能存在的性能问题

1. 主节点过期键删除压力：主节点需要负责处理过期键的删除逻辑，当大量键同时过期时，可能会导致主节点短暂的高CPU使用率，影响其处理其他客户端请求的能力。因为删除操作本身需要消耗CPU资源来查找过期键、释放内存等。
2. 从节点数据同步延迟：主节点删除过期键后，需要将相关的删除操作同步到从节点。如果网络不稳定或者主从节点之间带宽有限，可能会导致从节点数据同步延迟，在延迟期间，从节点可能会返回已经过期但尚未删除的数据，影响数据一致性。
3. 过期键扫描开销：Redis采用定期扫描过期字典的方式来发现过期键，这意味着即使没有键过期，也会有一定的扫描开销。如果过期字典很大，扫描操作会占用较多CPU时间，影响系统性能。

优化策略

1. 优化过期键删除逻辑：
   • 合理设置过期时间：避免大量键集中在同一时间过期，尽量分散过期时间。可以通过在设置过期时间时添加一个随机的小偏移量来实现，如EXPIRE key (original_expiry + random(0, 1000))，以减少瞬间过期键的数量，降低主节点删除压力。
   • 异步删除：对于大键值对的删除，可以使用UNLINK命令（Redis 4.0+）代替DEL命令。UNLINK会在后台线程中删除键值对，避免阻塞主线程，从而减少对主节点处理其他请求的影响。
2. 改善主从数据同步：
   • 优化网络环境：确保主从节点之间网络稳定，有足够的带宽。可以通过使用高速网络设备、优化网络拓扑结构等方式，减少网络延迟和丢包，加快过期键删除操作的同步速度。
   • 配置合适的复制缓冲区大小：主节点使用复制缓冲区来保存最近的写命令，以便发送给从节点。合理调整repl-backlog-size参数，确保缓冲区足够大，能够容纳主从节点之间短时间内的写操作，避免因缓冲区溢出导致的部分过期键删除操作丢失，从而减少数据同步延迟。
3. 减少过期键扫描开销：
   • 调整扫描频率：通过调整hz参数来控制Redis的定期任务执行频率。hz默认值为10，即每秒执行10次定期任务，包括过期键扫描。如果过期键数量较少，可以适当降低hz值，减少扫描频率，降低CPU使用率；但如果过期键较多，可能需要适当提高hz值，以确保过期键能及时被发现和删除。不过需要注意，hz值过高也会增加CPU负担，需要根据实际情况进行调优。
   • 优化数据结构：尽量避免使用过大的过期字典，例如可以将不同业务的数据分散到不同的Redis实例或者数据库中，这样可以减小每个过期字典的大小，降低扫描开销。同时，合理设计键的命名规则，使得过期键能够在字典中分布得更加均匀，提高扫描效率。