追求性能极*致：客户端缓存带来的革命

2023-04-10 00:00:00 数据 模式 客户端 缓存 访问

背景

前面一篇我们说到，2020年5月份，Redis官方推出了令人瞩目的 Redis 6.0，提出很多新特性，包括了客户端缓存 (Client side caching)、ACL、Threaded I/O 和 Redis Cluster Proxy 等诸多新特性。如下：


我们也专门对 Redis 6.0的 Threaded I/O（多线程网络I/O 模式）做了很详细的说明，有兴趣的翻到前面一篇。
这一篇咱们就来聊下这个Client side caching（客户端缓存），看看Redis为什么需要客户端缓存、是基于什么原理实现的，以及具体应该怎么使用。

1 为什么需要客户端缓存

1.1 缓存服务的目的

回顾一下我们 在篇 《深刻理解高性能Redis的本质》中说过的，Redis的读写操作都是在内存中实现了，相对其他的持久化存储（如MySQL、File等，数据持久化在磁盘上），性能会高很多。因为我们在操作数据的时候，需要通过 IO 操作先将数据读取到内存里，增加工作成本。


上面那张图来源于网络，可以看看他的金字塔模型，越往上执行效率越高，价格也就越贵。下面给出每一层的执行耗时对比：

  • 寄存器：0.3 ns
  • L1高速缓存：0.9 ns
  • L2高速缓存：2.8 ns
  • L3高速缓存：12.9 ns
  • 主存：120 ns
  • 本地二级存储（SSD）：50~150 us
  • 远程二级存储：30 ms

    我们举个L1和SSD的直观对比，如果L1耗时1s的话，SSD中差不多要15~45小时，所以内存层面的访问效率远远比磁盘层面的访问效率高很多。
    总之，缓存的目的是基于对持久化在磁盘的数据（比如MySQL数据、文件数据等）的高效访问，为了提升效率而实现的。《Redis in Action》中也提到， Redis 能够提升普通关系型数据库的 10 ~ 100 倍的性能。
    数据访问过程如下图，Redis 存储了热点数据，当天我们请求一个数据时，先去访问缓存层，如果不存在再去访问数据库，这样可以解决大部分高效读取数据的业务场景，性能是缓存重要的价值之一。

1.2 存在的问题

虽然我们使用Redis提升了数据的访问效率，但是依然存在一些问题。基于分布式访问的缓存服务是一个独立的服务存在，一般情况下访问它需要经过这几个步骤：

  • 连接缓存服务（一般不会跟计算服务在一个实例上）
  • 查找并读取数据（I/O操作）
  • 网络传输
  • 数据序列化反序列化
    这些操作一样的是对性能有影响的，随着互联网的发展，流量不断的膨胀，很容易达到 Redis 的性能上限。
    所以，我们经常会使用进程缓存（本地缓存），来辅助处理，将一些高频读低频写的数据暂存在本地，读取数据的时候，先检查本地缓存是否存在，不存在再访问远端缓存服务的数据，进一步提高访问效率。
    如果Redis也不存在，就只能去 数据库 中查询，查到的数据再设置到 Redis 和 本地缓存中，这样后续的请求就不用再走到数据库中了。

    一般我们会使用Memcachced、Guava Cache 等来做级别缓存（本地缓存），使用Redis作为第二级缓存（缓存服务），本地内存避免了 连接、查询、网络传输、序列化等操作，性能比缓存服务快很多，这种模式大大减少数据延迟。

2 客户端缓存实现原理

Redis自己实现了一个客户端缓存，用以协助服务端Redis的操作，叫做tracking。
我们可以通过命令来配置它：

CLIENT TRACKING ON|OFF [REDIRECT client-id] [PREFIX prefix] [BCAST] [OPTIN] [OPTOUT] [NOLOOP]

客户端缓存核心的问题就是当Redis中的缓存变更或者失效了之后，如果能够及时有效的通知到客户端缓存，来保证数据的一致性。
Redis 6.0 实现 Tracking 功能，这个功能提供了两种方案来实现数据的一致性保证：

  • RESP2 协议版本的转发模式
  • RESP3 协议版本的普通模式和广播模式

    接下来我们一个个来分析。

2.1 普通模式

Redis使用 TrackingTable 来存储普通模式的客户端数据，它的数据类型是基数树 ( radix tree)。
radix tree是针对稀疏的长整型数据查找的多叉搜索树，能快速且节省空间的完映射，想深入了解的可以看这篇介绍。


如图中，客户端ID列表与Redis存储键的指针具有映射关系。而Redis键对象的指针对应的就是内存地址，数据结构是Long。
当开启了track 功能之后，操作具有以下特性：

  • 当Redis获取一个键值信息时，radix tree 会调用 enableTracking 方法记录 key 和 clientId 的映射关系，记录到 TrackingTable 中。
  • 当Redis删除或者修改一个键值信息时
    • radix tree 根据key调用 trackingInvalidateKey 方法查找对应的 Clinet ID
    • 调用 sendTrackingMessage 方法把失效的键值信息（invalidate 消息） 发送给这些 Clinet ID。
    • 发送完成之后从TrackingTable中删除映射关系。
  • Client关闭 track 功能后，遇到大量删除操的时候，一般是懒删除，只将 CLIENT_TRACKING 标志位删除。
  • 默认 track 模式是不开启，需要通过命令开启，参考如下：
CLIENT TRACKING ON|OFF
+OK
GET test
$7
archite

2.2 广播模式(BCAST)


广播模式与普通模式类似，也是采用映射关系来对照，但实现过程还是有区别的：

  • 存储的内容不一样：如图，采用Prefix Table 来存储客户端数据，存储的是 前缀字符串指针 和 客户端数据（客户端ID列表 + 需通知的key值列表） 的映射关系。
  • 删除键值的时机不一样：
    • radix tree 根据key调用 trackingInvalidateKey 方法查找PrefixTable。
    • 判断是否为空，不为空则 调用 trackingRememberKeyToBroadcast 对键列表进行进行遍历，找到符合前缀匹配规则的，并记录位置。
    • 在事件处理周期函数 beforeSleep 中 调用 trackingBroadcastInvalidationMessages 函数来发送消息。
    • 发送完成之后从 PrefixTable 中删除映射关系。

2.3 转发模式

RESP 3 协议 是 Redis 6.0 新启用的协议，使用普通模式或者广播模式需要依赖这种协议，这样对于RESP 2 协议的客户端来说就会有问题。所以衍生除了另一种模式：重定向（redirect）。

  • RESP 2 无法直接 PUSH 失效消息，所以不能直接获取到失效数据（Redis Client 2）。
  • 支持 RESP 3 协议的客户端（Redis Clinet 1） 告诉 Server 将失效消息通过 Pus/Sub 通知给 RESP 2 客户端。
  • 而Redis Client 2 （RESP 2 ）是通过订阅命令 SUBSCRIBE，专门订阅用于发送失效消息的频道 redis:invalidate。

如下所示：

# Redis Client 2 （支持RESP 2）执行订阅 
client id : 888
subscribe _redis_:invalidate

# Redis Client 1（支持RESP 3），转发给 2
client tracking on bcast redirect 888

3 总结

3.1 默认模式（普通模式）

  • 服务端记录客户端操作过的 key，key 对应的值发生变化时，会发送 Invalidation Messages 给Redis 客户端。
  • 服务端记录key信息会消耗一些内存，但是发送失效消息的范围，限制在存储的key范围内，计算和网络传输变的轻量。
  • 优点是节省 CPU 以及流量带宽，但是会占用一些内存。

3.2 广播模式

  • 服务端不记录 key，而是订阅 key 的特定前缀，当匹配前缀的 key 的值改变时，发送 Invalidation Messages 给 Redis客户端。
  • 优点是服务端的内存消耗少，但是会损耗更多的 CPU 去做前缀匹配的计算。

3.3 转发模式

  • 为了兼容 resp2 协议的一种过渡模式
  • 优点是占用内存少，CPU占用多

客户端的缓存

客户端缓存，需要业务侧自己实现，Redis 服务端只负责通知你key 的变动（删除、新增）。

相关文章