Redis 内存突增时，如何定量分析其内存使用情况

背景

最近碰到一个 case，一个 Redis 实例的内存突增，used_memory最大时达到了 78.9G，而该实例的maxmemory配置却只有 16G，最终导致实例中的数据被大量驱逐。

以下是问题发生时INFO MEMORY的部分输出内容。

# Memory
used_memory:84716542624
used_memory_human:78.90G
used_memory_rss:104497676288
used_memory_rss_human:97.32G
used_memory_peak:84716542624
used_memory_peak_human:78.90G
used_memory_peak_perc:100.00%
used_memory_overhead:75682545624
used_memory_startup:906952
used_memory_dataset:9033997000
used_memory_dataset_perc:10.66%
allocator_allocated:84715102264
allocator_active:101370822656
allocator_resident:102303637504
total_system_memory:810745470976
total_system_memory_human:755.07G
used_memory_lua:142336
used_memory_lua_human:139.00K
used_memory_scripts:6576
used_memory_scripts_human:6.42K
number_of_cached_scripts:13
maxmemory:17179869184
maxmemory_human:16.00G
maxmemory_policy:volatile-lru
allocator_frag_ratio:1.20
allocator_frag_bytes:16655720392

内存突增导致数据被驱逐，是 Redis 中一个较为常见的问题。很多童鞋在面对这类问题时往往缺乏清晰的分析思路，常常误以为是复制、RDB 持久化等操作引起的。接下来，我们看看如何系统地分析这类问题。

本文主要包括以下几部分：

1. INFO 中的used_memory是怎么来的？
2. 什么是used_memory？
3. used_memory内存通常会被用于哪些场景？
4. Redis 7 在内存统计方面的变化。
5. 数据驱逐的触发条件------当used_memory 超过maxmemory后，是否一定会触发驱逐？
6. 最后，分享一个脚本，帮助实时分析used_memory增长时，具体是哪一部分的内存消耗导致的。

INFO 中的 used_memory 是怎么来的？

当我们执行INFO命令时，Redis 会调用genRedisInfoString函数来生成其输出。

// server.c
sds genRedisInfoString(const char *section) {
    ...
    /* Memory */
    if (allsections || defsections || !strcasecmp(section,"memory")) {
        ...
        size_t zmalloc_used = zmalloc_used_memory();
        ...
        if (sections++) info = sdscat(info,"\r\n");
        info = sdscatprintf(info,
            "# Memory\r\n"
            "used_memory:%zu\r\n"
            "used_memory_human:%s\r\n"
            "used_memory_rss:%zu\r\n"
            ...
            "lazyfreed_objects:%zu\r\n",
            zmalloc_used,
            hmem,
            server.cron_malloc_stats.process_rss,
            ...
            lazyfreeGetFreedObjectsCount()
        );
        freeMemoryOverheadData(mh);
    }
    ...
    return info;
}

可以看到，used_memory 的值来自 zmalloc_used，而 zmalloc_used 又是通过zmalloc_used_memory()函数获取的。

// zmalloc.c
size_t zmalloc_used_memory(void) {
    size_t um;
    atomicGet(used_memory,um);
    return um;
}

zmalloc_used_memory() 的实现很简单，就是以原子方式读取 used_memory 的值。

什么是 used_memory

used_memory是一个静态变量，其类型为redisAtomic size_t，其中redisAtomic是_Atomic类型的别名。_Atomic是 C11 标准引入的关键字，用于声明原子类型，保证在多线程环境中对该类型的操作是原子的，避免数据竞争。

#define redisAtomic _Atomic
static redisAtomic size_t used_memory = 0;

used_memory 的更新主要通过两个宏定义实现：

#define update_zmalloc_stat_alloc(__n) atomicIncr(used_memory,(__n))
#define update_zmalloc_stat_free(__n) atomicDecr(used_memory,(__n))

其中，update_zmalloc_stat_alloc(__n)是在分配内存时调用，它通过原子操作让 used_memory 加__n。

而update_zmalloc_stat_free(__n)则是在释放内存时调用，它通过原子操作让 used_memory 减__n。

这两个宏确保了在内存分配和释放过程中used_memory的准确更新，并且避免了并发操作带来的数据竞争问题。

在通过内存分配器（常用的内存分配器有 glibc's malloc、jemalloc、tcmalloc，Redis 中一般使用 jemalloc）中的函数分配或释放内存时，会同步调用update_zmalloc_stat_alloc或update_zmalloc_stat_free来更新 used_memory 的值。

在 Redis 中，内存管理主要通过以下两个函数来实现：

// zmalloc.c
void *ztrymalloc_usable(size_t size, size_t *usable) {
    ASSERT_NO_SIZE_OVERFLOW(size);
    void *ptr = malloc(MALLOC_MIN_SIZE(size)+PREFIX_SIZE);

    if (!ptr) return NULL;
#ifdef HAVE_MALLOC_SIZE
    size = zmalloc_size(ptr);
    update_zmalloc_stat_alloc(size);
    if (usable) *usable = size;
    return ptr;
#else
    ...
#endif
}

void zfree(void *ptr) {
    ...
    if (ptr == NULL) return;
#ifdef HAVE_MALLOC_SIZE
    update_zmalloc_stat_free(zmalloc_size(ptr));
    free(ptr);
#else
   ...
#endif
}

其中，

• ztrymalloc_usable函数用于分配内存。该函数首先会调用malloc分配内存。如果分配成功，则会通过 update_zmalloc_stat_alloc更新 used_memory 的值。
• zfree 函数用于释放内存。在释放内存之前，先通过update_zmalloc_stat_free调整 used_memory 的值，然后再调用free释放内存。

这种机制保证了 Redis 能够准确跟踪内存的分配和释放情况，从而有效地管理内存使用。

used_memory 内存通常会被用于哪些场景？

used_memory主要由两部分组成：

1. 数据本身：对应 INFO 中的used_memory_dataset。
2. 内部管理和维护数据结构的开销：对应 INFO 中的used_memory_overhead。

需要注意的是，used_memory_dataset 并不是根据 Key 的数量及 Key 使用的内存计算出来的，而是通过 used_memory 减去 used_memory_overhead 得到的。

接下来，我们重点分析下used_memory_overhead 的来源。实际上，Redis 提供了一个单独的函数-getMemoryOverheadData，专门用于计算这一部分的内存开销。

// object.c
struct redisMemOverhead *getMemoryOverheadData(void) {
    int j;
    // mem_total 用于累积总的内存开销，最后会赋值给 used_memory_overhead。
    size_t mem_total = 0;
    // mem 用于计算每一部分的内存使用量。
    size_t mem = 0;
    // 调用 zmalloc_used_memory() 获取 used_memory。
    size_t zmalloc_used = zmalloc_used_memory();
    // 使用 zcalloc 分配一个 redisMemOverhead 结构体的内存。
    struct redisMemOverhead *mh = zcalloc(sizeof(*mh));
    ...
    // 将 Redis 启动时的内存使用量 server.initial_memory_usage 加入到总内存开销中。
    mem_total += server.initial_memory_usage;

    mem = 0;
    // 将复制积压缓冲区的内存开销加入到总内存开销中。
    if (server.repl_backlog)
        mem += zmalloc_size(server.repl_backlog);
    mh->repl_backlog = mem;
    mem_total += mem;

    /* Computing the memory used by the clients would be O(N) if done
     * here online. We use our values computed incrementally by
     * clientsCronTrackClientsMemUsage(). */
    // 计算客户端内存开销
    mh->clients_slaves = server.stat_clients_type_memory[CLIENT_TYPE_SLAVE];
    mh->clients_normal = server.stat_clients_type_memory[CLIENT_TYPE_MASTER]+
                         server.stat_clients_type_memory[CLIENT_TYPE_PUBSUB]+
                         server.stat_clients_type_memory[CLIENT_TYPE_NORMAL];
    mem_total += mh->clients_slaves;
    mem_total += mh->clients_normal;
    // 计算 AOF 缓冲区和 AOF Rewrite Buffer 的内存开销
    mem = 0;
    if (server.aof_state != AOF_OFF) {
        mem += sdsZmallocSize(server.aof_buf);
        mem += aofRewriteBufferSize();
    }
    mh->aof_buffer = mem;
    mem_total+=mem;
    // 计算 Lua 脚本缓存的内存开销
    mem = server.lua_scripts_mem;
    mem += dictSize(server.lua_scripts) * sizeof(dictEntry) +
        dictSlots(server.lua_scripts) * sizeof(dictEntry*);
    mem += dictSize(server.repl_scriptcache_dict) * sizeof(dictEntry) +
        dictSlots(server.repl_scriptcache_dict) * sizeof(dictEntry*);
    if (listLength(server.repl_scriptcache_fifo) > 0) {
        mem += listLength(server.repl_scriptcache_fifo) * (sizeof(listNode) +
            sdsZmallocSize(listNodeValue(listFirst(server.repl_scriptcache_fifo))));
    }
    mh->lua_caches = mem;
    mem_total+=mem;
    // 计算数据库的内存开销：遍历所有数据库 (server.dbnum)。对于每个数据库，计算主字典 (db->dict) 和过期字典 (db->expires) 的内存开销。
    for (j = 0; j < server.dbnum; j++) {
        redisDb *db = server.db+j;
        long long keyscount = dictSize(db->dict);
        if (keyscount==0) continue;

        mh->total_keys += keyscount;
        mh->db = zrealloc(mh->db,sizeof(mh->db[0])*(mh->num_dbs+1));
        mh->db[mh->num_dbs].dbid = j;

        mem = dictSize(db->dict) * sizeof(dictEntry) +
              dictSlots(db->dict) * sizeof(dictEntry*) +
              dictSize(db->dict) * sizeof(robj);
        mh->db[mh->num_dbs].overhead_ht_main = mem;
        mem_total+=mem;

        mem = dictSize(db->expires) * sizeof(dictEntry) +
              dictSlots(db->expires) * sizeof(dictEntry*);
        mh->db[mh->num_dbs].overhead_ht_expires = mem;
        mem_total+=mem;

        mh->num_dbs++;
    }
    // 将计算的 mem_total 赋值给 mh->overhead_total。
    mh->overhead_total = mem_total;
    // 计算数据的内存开销 (zmalloc_used - mem_total) 并存储在 mh->dataset。
    mh->dataset = zmalloc_used - mem_total;
    mh->peak_perc = (float)zmalloc_used*100/mh->peak_allocated;

    /* Metrics computed after subtracting the startup memory from
     * the total memory. */
    size_t net_usage = 1;
    if (zmalloc_used > mh->startup_allocated)
        net_usage = zmalloc_used - mh->startup_allocated;
    mh->dataset_perc = (float)mh->dataset*100/net_usage;
    mh->bytes_per_key = mh->total_keys ? (net_usage / mh->total_keys) : 0;

    return mh;
}

基于上面代码的分析，可以知道 used_memory_overhead 由以下几部分组成：

• server.initial_memory_usage：Redis 启动时的内存使用量，对应 INFO 中used_memory_startup。

• mh->repl_backlog：复制积压缓冲区的内存开销，对应 INFO 中的mem_replication_backlog。

• mh->clients_slaves：从库的内存开销。对应 INFO 中的mem_clients_slaves。

• mh->clients_normal：其它客户端的内存开销，对应 INFO 中的mem_clients_normal。

• mh->aof_buffer：AOF 缓冲区和 AOF 重写缓冲区的内存开销，对应 INFO 中的mem_aof_buffer。AOF 缓冲区是数据写入 AOF 之前使用的缓冲区。AOF 重写缓冲区是 AOF 重写期间，用于存放新增数据的缓冲区。

• mh->lua_caches：Lua 脚本缓存的内存开销，对应 INFO 中的used_memory_scripts。Redis 5.0 新增的。

• 字典的内存开销，这部分内存在 INFO 中没有显示，需要通过MEMORY STATS查看。

  17) "db.0"
  18) 1) "overhead.hashtable.main"
      2) (integer) 2536870912
      3) "overhead.hashtable.expires"
      4) (integer) 0
  

在这些内存开销中，used_memory_startup 基本不变，mem_replication_backlog 受 repl-backlog-size 的限制，used_memory_scripts 开销一般不大，而字典的内存开销则与数据量的大小成正比。

所以，重点需要注意的主要有三项：mem_clients_slaves，mem_clients_normal 和mem_aof_buffer。

• mem_aof_buffer：重点关注 AOF 重写期间缓冲区的大小。
• mem_clients_slaves 和 mem_clients_normal：都是客户端，内存分配方式相同。客户端的内存开销主要包括以下三部分：
  1. 输入缓冲区：用于暂存客户端命令，大小由 client-query-buffer-limit 限制。
  2. 输出缓冲区：用于缓存发送给客户端的数据，大小受 client-output-buffer-limit 控制。如果数据超过软硬限制并持续一段时间，客户端会被关闭。
  3. 客户端对象本身占用的内存。

Redis 7 在内存统计方面的变化

在 Redis 7 中，还会统计以下项的内存开销：

• mh->cluster_links：集群链接的内存开销，对应 INFO 中的mem_cluster_links。
• mh->functions_caches：Function 缓存的内存开销，对应 INFO 中的used_memory_functions。
• 集群模式下键到槽映射的内存开销，对应 MEMORY STATS 中的overhead.hashtable.slot-to-keys。

此外，Redis 7 引入了 Multi-Part AOF，这个特性移除了 AOF 重写缓冲区。

需要注意的是，mh->repl_backlog 和 mh->clients_slaves 的内存计算方式也发生了变化。

在 Redis 7 之前，mh->repl_backlog 统计的是复制积压缓冲区的大小，mh->clients_slaves 统计的是所有从节点客户端的内存使用量。

if (server.repl_backlog)
    mem += zmalloc_size(server.repl_backlog);
mh->repl_backlog = mem;
mem_total += mem;

mem = 0;
// 遍历所有从节点客户端，累加它们的输出缓冲区、输入缓冲区的内存使用量以及客户端对象本身的内存占用。
if (listLength(server.slaves)) {
    listIter li;
    listNode *ln;

    listRewind(server.slaves,&li);
    while((ln = listNext(&li))) {
        client *c = listNodeValue(ln);
        mem += getClientOutputBufferMemoryUsage(c);
        mem += sdsAllocSize(c->querybuf);
        mem += sizeof(client);
    }
}
mh->clients_slaves = mem;

因为每个从节点都会分配一个独立的复制缓冲区（即从节点对应客户端的输出缓冲区），所以当从节点的数量增加时，这种实现方式会造成内存的浪费。不仅如此，当client-output-buffer-limit设置过大且从节点数量过多时，还容易导致主节点 OOM。

针对这个问题，Redis 7 引入了一个全局复制缓冲区。无论是复制积压缓冲区（repl-backlog），还是从节点的复制缓冲区都是共享这个缓冲区。

replBufBlock结构体用于存储全局复制缓冲区的一个块。

typedef struct replBufBlock {
    int refcount;           /* Number of replicas or repl backlog using. */
    long long id;           /* The unique incremental number. */
    long long repl_offset;  /* Start replication offset of the block. */
    size_t size, used;
    char buf[];
} replBufBlock;

每个replBufBlock包含一个refcount字段，用于记录该块被多少个复制实例（包括主节点的复制积压缓冲区和从节点）所引用。

当新的从节点添加时，Redis 不会为其分配新的复制缓冲区块，而是增加现有replBufBlock的refcount。

相应地，在 Redis 7 中，mh->repl_backlog 和 mh->clients_slaves 的内存计算方式也发生了变化。

if (listLength(server.slaves) &&
    (long long)server.repl_buffer_mem > server.repl_backlog_size)
{
    mh->clients_slaves = server.repl_buffer_mem - server.repl_backlog_size;
    mh->repl_backlog = server.repl_backlog_size;
} else {
    mh->clients_slaves = 0;
    mh->repl_backlog = server.repl_buffer_mem;
}
if (server.repl_backlog) {
    /* The approximate memory of rax tree for indexed blocks. */
    mh->repl_backlog +=
        server.repl_backlog->blocks_index->numnodes * sizeof(raxNode) +
        raxSize(server.repl_backlog->blocks_index) * sizeof(void*);
}
mem_total += mh->repl_backlog;
mem_total += mh->clients_slaves;

具体而言，如果全局复制缓冲区的大小大于repl-backlog-size，则复制积压缓冲区（mh->repl_backlog）的大小取 repl-backlog-size，剩余部分视为从库使用的内存（mh->clients_slaves）。如果全局复制缓冲区的大小小于等于 repl-backlog-size，则直接取全局复制缓冲区的大小。

此外，由于引入了一个 Rax 树来索引全局复制缓冲区中的部分节点，复制积压缓冲区还需要计算 Rax 树的内存开销。

数据驱逐的触发条件

很多人有个误区，认为只要 used_memory 大于 maxmemory ，就会触发数据的驱逐。但实际上不是。

数据被驱逐需满足以下条件：

1. maxmemory 必须大于 0。
2. maxmemory-policy 不能是 noeviction。
3. 内存使用需满足一定的条件。不是 used_memory 大于 maxmemory，而是 used_memory 减去 mem_not_counted_for_evict 后的值大于 maxmemory。

其中，mem_not_counted_for_evict的值可以通过 INFO 命令获取，它的大小是在freeMemoryGetNotCountedMemory函数中计算的。

size_t freeMemoryGetNotCountedMemory(void) {
    size_t overhead = 0;
    int slaves = listLength(server.slaves);

    if (slaves) {
        listIter li;
        listNode *ln;

        listRewind(server.slaves,&li);
        while((ln = listNext(&li))) {
            client *slave = listNodeValue(ln);
            overhead += getClientOutputBufferMemoryUsage(slave);
        }
    }
    if (server.aof_state != AOF_OFF) {
        overhead += sdsalloc(server.aof_buf)+aofRewriteBufferSize();
    }
    return overhead;
}

freeMemoryGetNotCountedMemory函数统计了所有从节点的复制缓存区、AOF 缓存区和 AOF 重写缓冲区的总大小。

所以，在 Redis 判断是否需要驱逐数据时，会从used_memory中剔除从节点复制缓存区、AOF 缓存区以及 AOF 重写缓冲区的内存占用。

Redis 内存分析脚本

最后，分享一个脚本。

这个脚本能够帮助我们快速分析 Redis 的内存使用情况。通过输出结果，我们可以直观地查看 Redis 各个部分的内存消耗情况并识别当 used_memory 增加时，具体是哪一部分的内存消耗导致的。

脚本地址：https://github.com/slowtech/dba-toolkit/blob/master/redis/redis_mem_usage_analyzer.py

# python3 redis_mem_usage_analyzer.py -host 10.0.1.182 -p 6379
Metric(2024-09-12 04:52:42)    Old Value            New Value(+3s)       Change per second   
==========================================================================================
Summary
---------------------------------------------
used_memory                    16.43G               16.44G               1.1M                
used_memory_dataset            11.93G               11.93G               22.66K              
used_memory_overhead           4.51G                4.51G                1.08M               

Overhead(Total)                4.51G                4.51G                1.08M               
---------------------------------------------
mem_clients_normal             440.57K              440.52K              -18.67B             
mem_clients_slaves             458.41M              461.63M              1.08M               
mem_replication_backlog        160M                 160M                 0B                  
mem_aof_buffer                 0B                   0B                   0B                  
used_memory_startup            793.17K              793.17K              0B                  
used_memory_scripts            0B                   0B                   0B                  
mem_hashtable                  3.9G                 3.9G                 0B                  

Evict & Fragmentation
---------------------------------------------
maxmemory                      20G                  20G                  0B                  
mem_not_counted_for_evict      458.45M              461.73M              1.1M                
mem_counted_for_evict          15.99G               15.99G               2.62K               
maxmemory_policy               volatile-lru         volatile-lru                             
used_memory_peak               16.43G               16.44G               1.1M                
used_memory_rss                16.77G               16.77G               1.32M               
mem_fragmentation_bytes        345.07M              345.75M              232.88K             

Others
---------------------------------------------
keys                           77860000             77860000             0.0                 
instantaneous_ops_per_sec      8339                 8435                                     
lazyfree_pending_objects       0                    0                    0.0       

该脚本每隔一段时间（由 -i 参数决定，默认是 3 秒）采集一次 Redis 的内存数据。然后，它会将当前采集到的数据（New Value）与上一次的数据（Old Value）进行对比，计算出每秒的增量（Change per second）。

输出主要分为四大部分：

• Summary：汇总部分，used_memory = used_memory_dataset + used_memory_overhead。
• Overhead(Total)：展示 used_memory_overhead 中各个细项的内存消耗情况。Overhead(Total) 等于所有细项之和，理论上应与 used_memory_overhead 相等。
• Evict & Fragmentation：显示驱逐和内存碎片的一些关键指标。其中，mem_counted_for_evict = used_memory - mem_not_counted_for_evict，当 mem_counted_for_evict 超过 maxmemory 时，才会触发数据驱逐。
• Others：其他一些重要指标，包括 keys（键的总数量）、instantaneous_ops_per_sec（每秒操作数）以及 lazyfree_pending_objects（通过异步删除等待释放的对象数）。

如果发现mem_clients_normal或mem_clients_slaves比较大，可指定 --client 查看客户端的内存使用情况。

# python3 redis_mem_usage_analyzer.py -host 10.0.1.182 -p 6379 --client
ID    Address            Name  Age    Command         User     Qbuf       Omem       Total Memory   
----------------------------------------------------------------------------------------------------
216   10.0.1.75:37811          721    psync           default  0B         232.83M    232.85M        
217   10.0.1.22:35057          715    psync           default  0B         232.11M    232.13M        
453   10.0.0.198:51172         0      client          default  26B        0B         60.03K         
...  

其中，

• Qbuf：输入缓冲区的大小。
• Omem：输出缓冲区的大小。
• Total Memory：该连接占用的总内存。

结果按 Total Memory 从大到小的顺序输出。