缓存空间优化实践

作者：京东科技 董健

导读

缓存Redis，是我们最常用的服务，其适用场景广泛，被大量应用到各业务场景中。也正因如此，缓存成为了重要的硬件成本来源，我们有必要从空间上做一些优化，降低成本的同时也会提高性能。

下面以我们的案例说明，将缓存空间减少70%的做法。

场景设定

1、我们需要将POJO存储到缓存中，该类定义如下

public class TestPOJO implements Serializable {
    private String testStatus;
    private String userPin;
    private String investor;
    private Date testQueryTime;
    private Date createTime;
    private String bizInfo;
    private Date otherTime;
    private BigDecimal userAmount;
    private BigDecimal userRate;
    private BigDecimal applyAmount;
    private String type;
    private String checkTime;
    private String preTestStatus;
    
    public Object[] toValueArray(){
        Object[] array = {testStatus, userPin, investor, testQueryTime,
                createTime, bizInfo, otherTime, userAmount,
                userRate, applyAmount, type, checkTime, preTestStatus};
        return array;
    }
    
    public CreditRecord fromValueArray(Object[] valueArray){         
        //具体的数据类型会丢失，需要做处理
    }
}

2、用下面的实例作为测试数据

TestPOJO pojo = new TestPOJO();
pojo.setApplyAmount(new BigDecimal("200.11"));
pojo.setBizInfo("XX");
pojo.setUserAmount(new BigDecimal("1000.00"));
pojo.setTestStatus("SUCCESS");
pojo.setCheckTime("2023-02-02");
pojo.setInvestor("ABCD");
pojo.setUserRate(new BigDecimal("0.002"));
pojo.setTestQueryTime(new Date());
pojo.setOtherTime(new Date());
pojo.setPreTestStatus("PROCESSING");
pojo.setUserPin("ABCDEFGHIJ");
pojo.setType("Y");

常规做法

System.out.println(JSON.toJSONString(pojo).length());

使用JSON直接序列化、打印 length=284****，这种方式是最简单的方式，也是最常用的方式，具体数据如下：

{"applyAmount":200.11,"bizInfo":"XX","checkTime":"2023-02-02","investor":"ABCD","otherTime":"2023-04-10 17:45:17.717","preCheckStatus":"PROCESSING","testQueryTime":"2023-04-10 17:45:17.717","testStatus":"SUCCESS","type":"Y","userAmount":1000.00,"userPin":"ABCDEFGHIJ","userRate":0.002}

我们发现，以上包含了大量无用的数据，其中属性名是没有必要存储的。

改进1-去掉属性名

System.out.println(JSON.toJSONString(pojo.toValueArray()).length());

通过选择数组结构代替对象结构，去掉了属性名，打印 length=144，将数据大小降低了50%，具体数据如下：

["SUCCESS","ABCDEFGHIJ","ABCD","2023-04-10 17:45:17.717",null,"XX","2023-04-10 17:45:17.717",1000.00,0.002,200.11,"Y","2023-02-02","PROCESSING"]

我们发现，null是没有必要存储的，时间的格式被序列化为字符串，不合理的序列化结果，导致了数据的膨胀，所以我们应该选用更好的序列化工具。

改进2-使用更好的序列化工具

//我们仍然选取JSON格式，但使用了第三方序列化工具
System.out.println(new ObjectMapper(new MessagePackFactory()).writeValueAsBytes(pojo.toValueArray()).length);

选取更好的序列化工具，实现字段的压缩和合理的数据格式，打印 length=92，空间比上一步又降低了40%。

这是一份二进制数据，需要以二进制操作Redis，将二进制转为字符串后，打印如下：

??SUCCESS?ABCDEFGHIJ?ABCD?
?j?6???XX?
?j?6?????`bM????@i??Q?Y?2023-02-02?PROCESSING

顺着这个思路再深挖，我们发现，可以通过手动选择数据类型，实现更极致的优化效果，选择使用更小的数据类型，会获得进一步的提升。

改进3-优化数据类型

在以上用例中，testStatus、preCheckStatus、investor这3个字段，实际上是枚举字符串类型，如果能够使用更简单数据类型（比如byte或者int等）替代string，还可以进一步节省空间。其中checkTime可以用Long类型替代字符串，会被序列化工具输出更少的字节。

public Object[] toValueArray(){
    Object[] array = {toInt(testStatus), userPin, toInt(investor), testQueryTime,
    createTime, bizInfo, otherTime, userAmount,
    userRate, applyAmount, type, toLong(checkTime), toInt(preTestStatus)};
    return array;
}

在手动调整后，使用了更小的数据类型替代了String类型，打印 length=69

改进4-考虑ZIP压缩

除了以上的几点之外，还可以考虑使用ZIP压缩方式获取更小的体积，在内容较大或重复性较多的情况下，ZIP压缩的效果明显，如果存储的内容是TestPOJO的数组，可能适合使用ZIP压缩。

但ZIP压缩并不一定会减少体积，在小于30个字节的情况下，也许还会增加体积。在重复性内容较少的情况下，无法获得明显提升。并且存在CPU开销。

在经过以上优化之后，ZIP压缩不再是必选项，需要根据实际数据做测试才能分辨到ZIP的压缩效果。

最终落地

上面的几个改进步骤体现了优化的思路，但是反序列化的过程会导致类型的丢失，处理起来比较繁琐，所以我们还需要考虑反序列化的问题。

在缓存对象被预定义的情况下，我们完全可以手动处理每个字段，所以在实战中，推荐使用手动序列化达到上述目的，实现精细化的控制，达到最好的压缩效果和最小的性能开销。

可以参考以下msgpack的实现代码，以下为测试代码，请自行封装更好的Packer和UnPacker等工具：

<dependency>    
    <groupId>org.msgpack</groupId>    
    <artifactId>msgpack-core</artifactId>    
    <version>0.9.3</version>
</dependency>

    public byte[] toByteArray() throws Exception {
        MessageBufferPacker packer = MessagePack.newDefaultBufferPacker();
        toByteArray(packer);
        packer.close();
        return packer.toByteArray();
    }

    public void toByteArray(MessageBufferPacker packer) throws Exception {
        if (testStatus == null) {
            packer.packNil();
        }else{
            packer.packString(testStatus);
        }

        if (userPin == null) {
            packer.packNil();
        }else{
            packer.packString(userPin);
        }

        if (investor == null) {
            packer.packNil();
        }else{
            packer.packString(investor);
        }

        if (testQueryTime == null) {
            packer.packNil();
        }else{
            packer.packLong(testQueryTime.getTime());
        }

        if (createTime == null) {
            packer.packNil();
        }else{
            packer.packLong(createTime.getTime());
        }

        if (bizInfo == null) {
            packer.packNil();
        }else{
            packer.packString(bizInfo);
        }

        if (otherTime == null) {
            packer.packNil();
        }else{
            packer.packLong(otherTime.getTime());
        }

        if (userAmount == null) {
            packer.packNil();
        }else{
            packer.packString(userAmount.toString());
        }

        if (userRate == null) {
            packer.packNil();
        }else{
            packer.packString(userRate.toString());
        }

        if (applyAmount == null) {
            packer.packNil();
        }else{
            packer.packString(applyAmount.toString());
        }

        if (type == null) {
            packer.packNil();
        }else{
            packer.packString(type);
        }

        if (checkTime == null) {
            packer.packNil();
        }else{
            packer.packString(checkTime);
        }

        if (preTestStatus == null) {
            packer.packNil();
        }else{
            packer.packString(preTestStatus);
        }
    }


    public void fromByteArray(byte[] byteArray) throws Exception {
        MessageUnpacker unpacker = MessagePack.newDefaultUnpacker(byteArray);
        fromByteArray(unpacker);
        unpacker.close();
    }

    public void fromByteArray(MessageUnpacker unpacker) throws Exception {
        if (!unpacker.tryUnpackNil()){
            this.setTestStatus(unpacker.unpackString());
        }
        if (!unpacker.tryUnpackNil()){
            this.setUserPin(unpacker.unpackString());
        }
        if (!unpacker.tryUnpackNil()){
            this.setInvestor(unpacker.unpackString());
        }
        if (!unpacker.tryUnpackNil()){
            this.setTestQueryTime(new Date(unpacker.unpackLong()));
        }
        if (!unpacker.tryUnpackNil()){
            this.setCreateTime(new Date(unpacker.unpackLong()));
        }
        if (!unpacker.tryUnpackNil()){
            this.setBizInfo(unpacker.unpackString());
        }
        if (!unpacker.tryUnpackNil()){
            this.setOtherTime(new Date(unpacker.unpackLong()));
        }
        if (!unpacker.tryUnpackNil()){
            this.setUserAmount(new BigDecimal(unpacker.unpackString()));
        }
        if (!unpacker.tryUnpackNil()){
            this.setUserRate(new BigDecimal(unpacker.unpackString()));
        }
        if (!unpacker.tryUnpackNil()){
            this.setApplyAmount(new BigDecimal(unpacker.unpackString()));
        }
        if (!unpacker.tryUnpackNil()){
            this.setType(unpacker.unpackString());
        }
        if (!unpacker.tryUnpackNil()){
            this.setCheckTime(unpacker.unpackString());
        }
        if (!unpacker.tryUnpackNil()){
            this.setPreTestStatus(unpacker.unpackString());
        }
    }

场景延伸

假设，我们为2亿用户存储数据，每个用户包含40个字段，字段key的长度是6个字节，字段是分别管理的。

正常情况下，我们会想到hash结构，而hash结构存储了key的信息，会占用额外资源，字段key属于不必要数据，按照上述思路，可以使用list替代hash结构。

通过Redis官方工具测试，使用list结构需要144G的空间，而使用hash结构需要245G的空间（当50%以上的属性为空时，需要进行测试，是否仍然适用）

在以上案例中，我们采取了几个非常简单的措施，仅仅有几行简单的代码，可降低空间70%以上，在数据量较大以及性能要求较高的场景中，是非常值得推荐的。：

? 使用数组替代对象（如果大量字段为空，需配合序列化工具对null进行压缩）

? 使用更好的序列化工具

? 使用更小的数据类型

? 考虑使用ZIP压缩

? 使用list替代hash结构（如果大量字段为空，需要进行测试对比）