背景
某个工作日，线上某集群跟往常一样导入约400万数据，集群内存却猛涨了约55G，BI导入的同学反馈没有变更。
其他现象：
该集群一共有60个主节点，其中有四个节点内存增长不明显，其他节点均瞬间增长了1G，并在增长了之后又降低了约500M。
同时发现增长1G内存的节点内存碎片率发生了抖动，内存增长不明显的4个节点未抖动。
在查看codis-dashboard之后，发现未增长的节点分片为18，其他增长的节点为17。查找相关资料后发现是由于17个分片的节点key数量触发了Redis内部的内存rehash机制，导致内存分配了1G。
Rehash介绍
在Redis中，键值对（Key-Value Pair）存储方式是由字典（Dict）保存的，而字典底层是通过哈希表来实现的。通过哈希表中的节点保存字典中的键值对。当HashMap中由于Hash冲突（负载因子）超过某个阈值时，出于链表性能的考虑，会进行Resize的操作。Redis也一样。Redis使用了一种叫做渐进式哈希(rehashing)的机制来提高字典的缩放效率，避免 rehash 对服务器性能造成影响，渐进式 rehash 的好处在于它采取分而治之的方式， 将 rehash 键值对所需的计算工作均摊到对字典的每个添加、删除、查找和更新操作上， 从而避免了集中式 rehash 而带来的庞大计算量。
Rehash的具体机制可参考美团文章：https://tech.meituan.com/2018/07/27/redis-rehash-practice-optimization.html
rehash 结构定义
(1)Redis 哈希表结构体：
(2)哈希桶
(3)定义字典
总结起来就是：
- 一个RedisDB对应一个Dict;
- 一个Dict对应2个Dictht，正常情况只用到ht[0]；ht[1] 在Rehash时使用。
Rehash 逻辑
/* 根据相关触发条件扩展字典 */
static int _dictExpandIfNeeded(dict *d)
{
if (dictIsRehashing(d)) return DICT_OK; // 如果正在进行Rehash，则直接返回
if (d->ht[0].size == 0) return dictExpand(d, DICT_HT_INITIAL_SIZE); // 如果ht[0]字典为空，则创建并初始化ht[0]
/* (ht[0].used/ht[0].size)>=1前提下，
当满足dict_can_resize=1或ht[0].used/t[0].size>5时，便对字典进行扩展 */
if (d->ht[0].used >= d->ht[0].size &&
(dict_can_resize ||
d->ht[0].used/d->ht[0].size > dict_force_resize_ratio))
{
return dictExpand(d, d->ht[0].used*2); // 扩展字典为原来的2倍
}
return DICT_OK;
}
...
/* 计算存储Key的bucket的位置 */
static int _dictKeyIndex(dict *d, const void *key)
{
unsigned int h, idx, table;
dictEntry *he;
/* 检查是否需要扩展哈希表，不足则扩展 */
if (_dictExpandIfNeeded(d) == DICT_ERR)
return -1;
/* 计算Key的哈希值 */
h = dictHashKey(d, key);
for (table = 0; table <= 1; table++) {
idx = h & d->ht[table].sizemask; //计算Key的bucket位置
/* 检查节点上是否存在新增的Key */
he = d->ht[table].table[idx];
/* 在节点链表检查 */
while(he) {
if (key==he->key || dictCompareKeys(d, key, he->key))
return -1;
he = he->next;
}
if (!dictIsRehashing(d)) break; // 扫完ht[0]后，如果哈希表不在rehashing，则无需再扫ht[1]
}
return idx;
}
...
/* 将Key插入哈希表 */
dictEntry *dictAddRaw(dict *d, void *key)
{
int index;
dictEntry *entry;
dictht *ht;
if (dictIsRehashing(d)) _dictRehashStep(d); // 如果哈希表在rehashing，则执行单步rehash
/* 调用_dictKeyIndex() 检查键是否存在，如果存在则返回NULL */
if ((index = _dictKeyIndex(d, key)) == -1)
return NULL;
ht = dictIsRehashing(d) ? &d->ht[1] : &d->ht[0];
entry = zmalloc(sizeof(*entry)); // 为新增的节点分配内存
entry->next = ht->table[index]; // 将节点插入链表表头
ht->table[index] = entry; // 更新节点和桶信息
ht->used++; // 更新ht
/* 设置新节点的键 */
dictSetKey(d, entry, key);
return entry;
}
...
/* 添加新键值对 */
int dictAdd(dict *d, void *key, void *val)
{
dictEntry *entry = dictAddRaw(d,key); // 添加新键
if (!entry) return DICT_ERR; // 如果键存在，则返回失败
dictSetVal(d, entry, val); // 键不存在，则设置节点值
return DICT_OK;
}
继续dictExpand的源码实现：
int dictExpand(dict *d, unsigned long size)
{
dictht n; // 新哈希表
unsigned long realsize = _dictNextPower(size); // 计算扩展或缩放新哈希表的大小(调用下面函数_dictNextPower())
/* 如果正在rehash或者新哈希表的大小小于现已使用，则返回error */
if (dictIsRehashing(d) || d->ht[0].used > size)
return DICT_ERR;
/* 如果计算出哈希表size与现哈希表大小一样，也返回error */
if (realsize == d->ht[0].size) return DICT_ERR;
/* 初始化新哈希表 */
n.size = realsize;
n.sizemask = realsize-1;
n.table = zcalloc(realsize*sizeof(dictEntry*)); // 为table指向dictEntry 分配内存
n.used = 0;
/* 如果ht[0] 为空，则初始化ht[0]为当前键值对的哈希表 */
if (d->ht[0].table == NULL) {
d->ht[0] = n;
return DICT_OK;
}
/* 如果ht[0]不为空，则初始化ht[1]为当前键值对的哈希表，并开启渐进式rehash模式 */
d->ht[1] = n;
d->rehashidx = 0;
return DICT_OK;
}
...
static unsigned long _dictNextPower(unsigned long size) {
unsigned long i = DICT_HT_INITIAL_SIZE; // 哈希表的初始值：4
if (size >= LONG_MAX) return LONG_MAX;
/* 计算新哈希表的大小：第一个大于等于size的2的N 次方的数值 */
while(1) {
if (i >= size)
return i;
i *= 2;
}
}
可以确认当Redis Hash冲突到达某个条件时就会触发dictExpand()函数来扩展HashTable。
DICT_HT_INITIAL_SIZE初始化值为4，通过上述表达式，取当4*2^n >= ht[0].used*2的值作为字典扩展的size大小。即为：ht[1].size 的值等于第一个大于等于ht[0].used*2的2^n的数值。
Redis通过dictCreate()创建词典，在初始化中，table指针为Null，所以两个哈希表ht[0].table和ht[1].table都未真正分配内存空间。只有在dictExpand()字典扩展时才给table分配指向dictEntry的内存。
由上可知，当Redis触发Resize后，就会动态分配一块内存，最终由ht[1].table指向，动态分配的内存大小为：realsize*sizeof(dictEntry*)，table指向dictEntry*的一个指针，大小为8bytes（64位OS），即ht[1].table需分配的内存大小为：8*2*2^n （n大于等于2）。
| ht[0].size | 触发Resize时，ht[1]需分配的内存 |
|---|---|
| 4 | 64bytes |
| 8 | 128bytes |
| 16 | 256bytes |
| … | … |
| 65536 | 1024K |
| … | … |
| 8388608 | 128M |
| 16777216 | 256M |
| 33554432 | 512M |
| 67108864 | 1024M |
| … | … |
现在回过头来看内存上涨1G的时候，节点的key的数量刚好触发了67108864这个值，触发了rehash机制。系统需要分配1G内存的ht[1]表。
根据我们推到的rehash机制，来回顾前面4个内存未变化的节点发现，1月4号早上8点40左右，上述4个节点到达了67108864线，触发了rehash机制，系统分配给ht[1]表1G内存
redis-benchmark测试
在测试环境生成67108865个key,当key的数量从67108864加1变成67108865时，使用内存立刻增加1G
redis-cli -r 1000 -i 1 -p 6035 info | egrep "used_memory_human|used_memory:|db0:keys|mem_fragmentation_ratio
总结
当Redis 节点中的Key总量到达临界点后，Redis就会触发Dict的扩展，进行Rehash，申请扩展后相应的内存空间大小。
风险点：keys过多触发rehash需要分配的内存较多，分片均匀的集群尤为突出，且容易达到内存上限造成大量驱逐过期key，导致Redis服务无法响应请求。
解决方法：根据rehash的触发机制，做好当前可用内存和rehash需要申请内存的监控，在触发rehash前进行干预，避免rehash申请内存后造成内存超用。