数据分布优化:如何应对数据倾斜?
你好,我是蒋德钧。
在切片集群中,数据会按照一定的分布规则分散到不同的实例上保存。比如,在使用 Redis Cluster 或 Codis 时,数据都会先按照 CRC 算法的计算值对 Slot(逻辑槽)取模,同时,所有的 Slot 又会由运维管理员分配到不同的实例上。这样,数据就被保存到相应的实例上了。
虽然这种方法实现起来比较简单,但是很容易导致一个问题:数据倾斜。
数据倾斜有两类。
数据量倾斜
:在某些情况下,实例上的数据分布不均衡,某个实例上的数据特别多。
数据访问倾斜
:虽然每个集群实例上的数据量相差不大,但是某个实例上的数据是热点数据,被访问得非常频繁。
如果发生了数据倾斜,那么保存了大量数据,或者是保存了热点数据的实例的处理压力就会增大,速度变慢,甚至还可能会引起这个实例的内存资源耗尽,从而崩溃。这是我们在应用切片集群时要避免的。
今天这节课,我就来和你聊聊,这两种数据倾斜是怎么发生的,我们又该怎么应对。
# 数据量倾斜的成因和应对方法
首先,我们来看数据量倾斜的成因和应对方案。
当数据量倾斜发生时,数据在切片集群的多个实例上分布不均衡,大量数据集中到了一个或几个实例上,如下图所示:
那么,数据量倾斜是怎么产生的呢?这主要有三个原因,分别是某个实例上保存了 bigkey、Slot 分配不均衡以及 Hash Tag。接下来,我们就一个一个来分析,同时我还会给你讲解相应的解决方案。
# bigkey导致倾斜
第一个原因是,某个实例上正好保存了 bigkey。bigkey 的 value 值很大(String 类型),或者是 bigkey 保存了大量集合元素(集合类型),会导致这个实例的数据量增加,内存资源消耗也相应增加。
而且,bigkey 的操作一般都会造成实例 IO 线程阻塞,如果 bigkey 的访问量比较大,就会影响到这个实例上的其它请求被处理的速度。
其实,bigkey 已经是我们课程中反复提到的一个关键点了。为了避免 bigkey 造成的数据倾斜,一个根本的应对方法是,我们在业务层生成数据时,要尽量避免把过多的数据保存在同一个键值对中。
此外,如果 bigkey 正好是集合类型,我们还有一个方法,就是把 bigkey 拆分成很多个小的集合类型数据,分散保存在不同的实例上。
我给你举个例子。假设 Hash 类型集合 user:info 保存了 100 万个用户的信息,是一个 bigkey。那么,我们就可以按照用户 ID 的范围,把这个集合拆分成 10 个小集合,每个小集合只保存 10 万个用户的信息(例如小集合 1 保存的是 ID 从 1 到 10 万的用户信息,小集合 2 保存的是 ID 从 10 万零 1 到 20 万的用户)。这样一来,我们就可以把一个 bigkey 化整为零、分散保存了,避免了 bigkey 给单个切片实例带来的访问压力。
需要注意的是,当 bigkey 访问量较大时,也会造成数据访问倾斜,我一会儿再给你讲具体怎么应对。
接下来,我们再来看导致数据量倾斜的第二个原因:Slot 分配不均衡。
# Slot分配不均衡导致倾斜
如果集群运维人员没有均衡地分配 Slot,就会有大量的数据被分配到同一个 Slot 中,而同一个 Slot 只会在一个实例上分布,这就会导致,大量数据被集中到一个实例上,造成数据倾斜。
我以 Redis Cluster 为例,来介绍下 Slot 分配不均衡的情况。
Redis Cluster 一共有 16384 个 Slot,假设集群一共有 5 个实例,其中,实例 1 的硬件配置较高,运维人员在给实例分配 Slot 时,就可能会给实例 1 多分配些 Slot,把实例 1 的资源充分利用起来。
但是,我们其实并不知道数据和 Slot 的对应关系,这种做法就可能会导致大量数据正好被映射到实例 1 上的 Slot,造成数据倾斜,给实例 1 带来访问压力。
为了应对这个问题,我们可以通过运维规范,在分配之前,我们就要避免把过多的 Slot 分配到同一个实例。如果是已经分配好 Slot 的集群,我们可以先查看 Slot 和实例的具体分配关系,从而判断是否有过多的 Slot 集中到了同一个实例。如果有的话,就将部分 Slot 迁移到其它实例,从而避免数据倾斜。
不同集群上查看 Slot 分配情况的方式不同:如果是 Redis Cluster,就用 CLUSTER SLOTS 命令;如果是 Codis,就可以在 codis dashboard 上查看。
比如说,我们执行 CLUSTER SLOTS 命令查看 Slot 分配情况。命令返回结果显示,Slot 0 到 Slot 4095 被分配到了实例 192.168.10.3 上,而 Slot 12288 到 Slot 16383 被分配到了实例 192.168.10.5 上。
127.0.0.1:6379> cluster slots
1) 1) (integer) 0
2) (integer) 4095
3) 1) "192.168.10.3"
2) (integer) 6379
2) 1) (integer) 12288
2) (integer) 16383
3) 1) "192.168.10.5"
2) (integer) 6379
2
3
4
5
6
7
8
9
10
如果某一个实例上有太多的 Slot,我们就可以使用迁移命令把这些 Slot 迁移到其它实例上。在 Redis Cluster 中,我们可以使用 3 个命令完成 Slot 迁移。
CLUSTER SETSLOT:使用不同的选项进行三种设置,分别是设置 Slot 要迁入的目标实例,Slot 要迁出的源实例,以及 Slot 所属的实例。
CLUSTER GETKEYSINSLOT:获取某个 Slot 中一定数量的 key。
MIGRATE:把一个 key 从源实例实际迁移到目标实例。
我来借助一个例子,带你了解下这三个命令怎么用。
假设我们要把 Slot 300 从源实例(ID 为 3)迁移到目标实例(ID 为 5),那要怎么做呢?
实际上,我们可以分成 5 步。
第 1 步,我们先在目标实例 5 上执行下面的命令,将 Slot 300 的源实例设置为实例 3,表示要从实例 3 上迁入 Slot 300。
CLUSTER SETSLOT 300 IMPORTING 3
2
第 2 步,在源实例 3 上,我们把 Slot 300 的目标实例设置为 5,这表示,Slot 300 要迁出到实例 5 上,如下所示:
CLUSTER SETSLOT 300 MIGRATING 5
2
第 3 步,从 Slot 300 中获取 100 个 key。因为 Slot 中的 key 数量可能很多,所以我们需要在客户端上多次执行下面的这条命令,分批次获得并迁移 key。
CLUSTER GETKEYSINSLOT 300 100
2
第 4 步,我们把刚才获取的 100 个 key 中的 key1 迁移到目标实例 5 上(IP 为 192.168.10.5),同时把要迁入的数据库设置为 0 号数据库,把迁移的超时时间设置为 timeout。我们重复执行 MIGRATE 命令,把 100 个 key 都迁移完。
MIGRATE 192.168.10.5 6379 key1 0 timeout
2
最后,我们重复执行第 3 和第 4 步,直到 Slot 中的所有 key 都迁移完成。
从 Redis 3.0.6 开始,你也可以使用 KEYS 选项,一次迁移多个 key(key1、2、3),这样可以提升迁移效率。
MIGRATE 192.168.10.5 6379 "" 0 timeout KEYS key1 key2 key3
2
对于 Codis 来说,我们可以执行下面的命令进行数据迁移。其中,我们把 dashboard 组件的连接地址设置为 ADDR,并且把 Slot 300 迁移到编号为 6 的 codis server group 上。
codis-admin --dashboard=ADDR -slot-action --create --sid=300 --gid=6
2
除了 bigkey 和 Slot 分配不均衡会导致数据量倾斜,还有一个导致倾斜的原因,就是使用了 Hash Tag 进行数据切片。
# HashTag导致倾斜
Hash Tag 是指加在键值对 key 中的一对花括号{}。这对括号会把 key 的一部分括起来,客户端在计算 key 的 CRC16 值时,只对 Hash Tag 花括号中的 key 内容进行计算。如果没用 Hash Tag 的话,客户端计算整个 key 的 CRC16 的值。
举个例子,假设 key 是 user:profile:3231,我们把其中的 3231 作为 Hash Tag,此时,key 就变成了 user:profile:{3231}。当客户端计算这个 key 的 CRC16 值时,就只会计算 3231 的 CRC16 值。否则,客户端会计算整个“user:profile:3231”的 CRC16 值。
使用 Hash Tag 的好处是,如果不同 key 的 Hash Tag 内容都是一样的,那么,这些 key 对应的数据会被映射到同一个 Slot 中,同时会被分配到同一个实例上。
下面这张表就显示了使用 Hash Tag 后,数据被映射到相同 Slot 的情况,你可以看下。
其中,user:profile:{3231}和 user:order:{3231}的 Hash Tag 一样,都是 3231,它们的 CRC16 计算值对 16384 取模后的值也是一样的,所以就对应映射到了相同的 Slot 1024 中。user:profile:{5328}和 user:order:{5328}也是相同的映射结果。
那么,Hash Tag 一般用在什么场景呢?其实,它主要是用在 Redis Cluster 和 Codis 中,支持事务操作和范围查询。因为 Redis Cluster 和 Codis 本身并不支持跨实例的事务操作和范围查询,当业务应用有这些需求时,就只能先把这些数据读取到业务层进行事务处理,或者是逐个查询每个实例,得到范围查询的结果。
这样操作起来非常麻烦,所以,我们可以使用 Hash Tag 把要执行事务操作或是范围查询的数据映射到同一个实例上,这样就能很轻松地实现事务或范围查询了。
但是,使用 Hash Tag 的潜在问题,就是大量的数据可能被集中到一个实例上,导致数据倾斜,集群中的负载不均衡。那么,该怎么应对这种问题呢?我们就需要在范围查询、事务执行的需求和数据倾斜带来的访问压力之间,进行取舍了。
我的建议是,如果使用 Hash Tag 进行切片的数据会带来较大的访问压力,就优先考虑避免数据倾斜,最好不要使用 Hash Tag 进行数据切片。因为事务和范围查询都还可以放在客户端来执行,而数据倾斜会导致实例不稳定,造成服务不可用。
好了,到这里,我们完整地了解了数据量倾斜的原因以及应对方法。接下来,我们再来看数据访问倾斜的原因和应对方法。
# 数据访问倾斜的成因和应对方法
发生数据访问倾斜的根本原因,就是实例上存在热点数据(比如新闻应用中的热点新闻内容、电商促销活动中的热门商品信息,等等)。
一旦热点数据被存在了某个实例中,那么,这个实例的请求访问量就会远高于其它实例,面临巨大的访问压力,如下图所示:
那么,我们该如何应对呢?
和数据量倾斜不同,热点数据通常是一个或几个数据,所以,直接重新分配 Slot 并不能解决热点数据的问题。
通常来说,热点数据以服务读操作为主,在这种情况下,我们可以采用热点数据多副本的方法来应对。
这个方法的具体做法是,我们把热点数据复制多份,在每一个数据副本的 key 中增加一个随机前缀,让它和其它副本数据不会被映射到同一个 Slot 中。这样一来,热点数据既有多个副本可以同时服务请求,同时,这些副本数据的 key 又不一样,会被映射到不同的 Slot 中。在给这些 Slot 分配实例时,我们也要注意把它们分配到不同的实例上,那么,热点数据的访问压力就被分散到不同的实例上了。
这里,有个地方需要注意下,热点数据多副本方法只能针对只读的热点数据。如果热点数据是有读有写的话,就不适合采用多副本方法了,因为要保证多副本间的数据一致性,会带来额外的开销。
对于有读有写的热点数据,我们就要给实例本身增加资源了,例如使用配置更高的机器,来应对大量的访问压力。
# 小结
这节课,我向你介绍了数据倾斜的两种情况:数据量倾斜和数据访问倾斜。
造成数据量倾斜的原因主要有三个:
数据中有 bigkey,导致某个实例的数据量增加;
Slot 手工分配不均,导致某个或某些实例上有大量数据;
使用了 Hash Tag,导致数据集中到某些实例上。
而数据访问倾斜的主要原因就是有热点数据存在,导致大量访问请求集中到了热点数据所在的实例上。
为了应对数据倾斜问题,我给你介绍了四个方法,也分别对应了造成数据倾斜的四个原因。我把它们总结在下表中,你可以看下。
当然,如果已经发生了数据倾斜,我们可以通过数据迁移来缓解数据倾斜的影响。Redis Cluster 和 Codis 集群都提供了查看 Slot 分配和手工迁移 Slot 的命令,你可以把它们应用起来。
最后,关于集群的实例资源配置,我再给你一个小建议:在构建切片集群时,尽量使用大小配置相同的实例(例如实例内存配置保持相同),这样可以避免因实例资源不均衡而在不同实例上分配不同数量的 Slot。
# 每课一问
按照惯例,我给你提个小问题,在有数据访问倾斜时,如果热点数据突然过期了,而 Redis 中的数据是缓存,数据的最终值保存在后端数据库,此时会发生什么问题?
欢迎在留言区写下你的思考和答案,我们一起交流讨论。如果你觉得今天的内容对你有所帮助,也欢迎你分享给你的朋友或同事。我们下节课见。
# 精选评论
点击查看
在有数据访问倾斜时,如果热点数据突然过期了,而 Redis 中的数据是缓存,数据的最终值保存在后端数据库,此时会发生什么问题?
此时会发生缓存击穿,热点请求会直接打到后端数据库上,数据库的压力剧增,可能会压垮数据库。
Redis 的很多性能问题,例如导致 Redis 阻塞的场景:bigkey、集中过期、大实例 RDB 等等,这些场景都与数据倾斜类似,都是因为数据集中、处理逻辑集中导致的耗时变长。其解决思路也类似,都是把集中变分散,例如 bigkey 拆分为小 key、单个大实例拆分为切片集群等。
从软件架构演进过程来看,从单机到分布式,再到后来出现的消息队列、负载均衡等技术,也都是为了将请求压力分散开,避免数据集中、请求集中的问题,这样既可以让系统承载更大的请求量,同时还保证了系统的稳定性。
2
3
4
5
6
7
终于追上了,期待课代表的留言!课后问题我理解的话,只读模式下会发生缓存击穿,严重的话还可能造成雪崩。
课后题:将发生缓存击穿,导致数据库压力激增,可能导致数据库奔溃。与之相对的解决方法是不设置热点 Key 的过期时间,并以采用热点数据多副本的方法减少单实例压力。
疑问:老师您好,热点数据多副本的方法使得每一个数据副本的 key 都有一个随机前缀,那么客户端在读取的时候怎么获取这个随机前缀?又怎么保证带上随机前缀后的热点 Key 会被较为均匀的请求呢?
2
3
缓存击穿
会发生缓存击穿。
不给热点数据设置过期时间,由单独的线程负责更新热点数据的缓存。
2
缓存击穿
热点多副本方案的使用:客户端请求时带上客户端标记即可,不同的客户端请求就会hash分散到不同的热点副本。
缓存击穿,压力打到mysql.可能瞬间打爆mysql
最终的结果是雪崩
课后题:会发生缓存击穿