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Redis 过期删除与内存淘汰

Redis 过期删除与内存淘汰 过期删除策略 Redis 是可以对 key 设置过期时间的，因此需要有相应的机制将已过期的键值对删除，而做这个工作的就是过期键值删除策略。 每当我们对一个 key 设置了过期时间时，Redis 会把该 key 带上过期时间存储到一个过期字典（expires dict）

Redis 过期删除与内存淘汰

过期删除策略

Redis 是可以对 key 设置过期时间的，因此需要有相应的机制将已过期的键值对删除，而做这个工作的就是过期键值删除策略。

每当我们对一个 key 设置了过期时间时，Redis 会把该 key 带上过期时间存储到一个过期字典（expires dict）中，也就是说「过期字典」保存了数据库中所有 key 的过期时间。

当我们查询一个 key 时，Redis 首先检查该 key 是否存在于过期字典中：

  • 如果不在，则正常读取键值；
  • 如果存在，则会获取该 key 的过期时间，然后与当前系统时间进行比对，如果比系统时间大，那就没有过期，否则判定该 key 已过期。

Redis 使用的过期删除策略是「惰性删除+定期删除」这两种策略配和使用。

【惰性删除策略】

惰性删除策略的做法是，不主动删除过期键，每次从数据库访问 key 时，都检测 key 是否过期，如果过期则删除该 key。

惰性删除的流程图如下：

惰性删除策略的优点：

  • 因为每次访问时，才会检查 key 是否过期，所以此策略只会使用很少的系统资源，因此，惰性删除策略对 CPU 时间最友好。

惰性删除策略的缺点：

  • 如果一个 key 已经过期，而这个 key 又仍然保留在数据库中，那么只要这个过期 key 一直没有被访问，它所占用的内存就不会释放，造成了一定的内存空间浪费。所以，惰性删除策略对内存不友好。

惰性删除策略

【定期删除策略】

定期删除策略的做法是，每隔一段时间「随机」从数据库中取出一定数量的 key 进行检查，并删除其中的过期key。

Redis 的定期删除的流程：

  1. 从过期字典中随机抽取 20 个 key；
  2. 检查这 20 个 key 是否过期，并删除已过期的 key；
  3. 如果本轮检查的已过期 key 的数量，超过 5 个（20/4），也就是「已过期 key 的数量」占比「随机抽取 key 的数量」大于 25%，则继续重复步骤 1；如果已过期的 key 比例小于 25%，则停止继续删除过期 key，然后等待下一轮再检查。

可以看到，定期删除是一个循环的流程。那 Redis 为了保证定期删除不会出现循环过度，导致线程卡死现象，为此增加了定期删除循环流程的时间上限，默认不会超过 25ms。

定期删除策略的优点：

  • 通过限制删除操作执行的时长和频率，来减少删除操作对 CPU 的影响，同时也能删除一部分过期的数据减少了过期键对空间的无效占用。

定期删除策略的缺点：

  • 难以确定删除操作执行的时长和频率。如果执行的太频繁，就会对 CPU 不友好；如果执行的太少，那又和惰性删除一样了，过期 key 占用的内存不会及时得到释放。

可以看到，惰性删除策略和定期删除策略都有各自的优点，所以 Redis 选择「惰性删除+定期删除」这两种策略配和使用，以求在合理使用 CPU 时间和避免内存浪费之间取得平衡。

惰性删除策略

Redis 持久化时，对过期键会如何处理的？

Redis 持久化文件有两种格式：RDB（Redis Database）和 AOF（Append Only File），下面我们分别来看过期键在这两种格式中的呈现状态。

RDB 文件分为两个阶段，RDB 文件生成阶段和加载阶段。

  • RDB 文件生成阶段：从内存状态持久化成 RDB（文件）的时候，会对 key 进行过期检查，过期的键「不会」被保存到新的 RDB 文件中，因此 Redis 中的过期键不会对生成新 RDB 文件产生任何影响。
  • RDB 加载阶段：RDB 加载阶段时，要看服务器是主服务器还是从服务器，分别对应以下两种情况：
    • 如果 Redis 是「主服务器」运行模式的话，在载入 RDB 文件时，程序会对文件中保存的键进行检查，过期键「不会」被载入到数据库中。所以过期键不会对载入 RDB 文件的主服务器造成影响；
    • 如果 Redis 是「从服务器」运行模式的话，在载入 RDB 文件时，不论键是否过期都会被载入到数据库中。但由于主从服务器在进行数据同步时，从服务器的数据会被清空。所以一般来说，过期键对载入 RDB 文件的从服务器也不会造成影响。

AOF 文件分为两个阶段，AOF 文件写入阶段和 AOF 重写阶段。

  • AOF 文件写入阶段：当 Redis 以 AOF 模式持久化时，如果数据库某个过期键还没被删除，那么 AOF 文件会保留此过期键，当此过期键被删除后，Redis 会向 AOF 文件追加一条 DEL 命令来显式地删除该键值。
  • AOF 重写阶段：执行 AOF 重写时，会对 Redis 中的键值对进行检查，已过期的键不会被保存到重写后的 AOF 文件中，因此不会对 AOF 重写造成任何影响。

Redis 主从模式中，对过期键会如何处理？

当 Redis 运行在主从模式下时，从库不会进行过期扫描，从库对过期的处理是被动的。也就是即使从库中的 key 过期了，如果有客户端访问从库时，依然可以得到 key 对应的值，像未过期的键值对一样返回。

从库的过期键处理依靠主服务器控制，主库在 key 到期时，会在 AOF 文件里增加一条 del 指令，同步到所有的从库，从库通过执行这条 del 指令来删除过期的 key。

Redis 内存淘汰策略

在 Redis 的运行内存达到了某个阀值，就会触发内存淘汰机制，这个阀值就是我们设置的最大运行内存，此值在 Redis 的配置文件中可以找到，配置项为 maxmemory。Redis 内存淘汰策略共有八种，这八种策略大体分为「不进行数据淘汰」和「进行数据淘汰」两类策略。

1、不进行数据淘汰的策略

noeviction（Redis3.0之后，默认的内存淘汰策略） ：它表示当运行内存超过最大设置内存时，不淘汰任何数据，而是不再提供服务，直接返回错误。

2、进行数据淘汰的策略

针对「进行数据淘汰」这一类策略，又可以细分为**「在设置了过期时间的数据中进行淘汰」和「在所有数据范围内进行淘汰」**这两类策略。 在设置了过期时间的数据中进行淘汰：

  • volatile-random：随机淘汰设置了过期时间的任意键值；
  • volatile-ttl：优先淘汰更早过期的键值。
  • volatile-lru（Redis3.0 之前，默认的内存淘汰策略）：淘汰所有设置了过期时间的键值中，最久未使用的键值；
  • volatile-lfu（Redis 4.0 后新增的内存淘汰策略）：淘汰所有设置了过期时间的键值中，最少使用的键值；

在所有数据范围内进行淘汰：

  • allkeys-random：随机淘汰任意键值;
  • allkeys-lru：淘汰整个键值中最久未使用的键值；
  • allkeys-lfu（Redis 4.0 后新增的内存淘汰策略）：淘汰整个键值中最少使用的键值。

Redis的LRU算法

LRU 全称是 Least Recently Used 翻译为最近最少使用，会选择淘汰最近最少使用的数据。

传统 LRU 算法的实现是基于「链表」结构，链表中的元素按照操作顺序从前往后排列，最新操作的键会被移动到表头，当需要内存淘汰时，只需要删除链表尾部的元素即可，因为链表尾部的元素就代表最久未被使用的元素。

Redis 并没有使用这样的方式实现 LRU 算法，因为传统的 LRU 算法存在两个问题：

  • 需要用链表管理所有的缓存数据，这会带来额外的空间开销；
  • 当有数据被访问时，需要在链表上把该数据移动到头端，如果有大量数据被访问，就会带来很多链表移动操作，会很**耗时，**进而会降低 Redis 缓存性能。

Redis 实现的是一种近似 LRU 算法，目的是为了更好的节约内存，它的实现方式是在 Redis 的对象结构体中添加一个额外的字段，用于记录此数据的最后一次访问时间。

当 Redis 进行内存淘汰时，会使用随机采样的方式来淘汰数据，它是随机取 5 个值（此值可配置），然后淘汰最久没有使用的那个。

Redis 实现的 LRU 算法的优点：

  • 不用为所有的数据维护一个大链表，节省了空间占用；
  • 不用在每次数据访问时都移动链表项，提升了缓存的性能；

但是 LRU 算法有一个问题，无法解决缓存污染问题，比如应用一次读取了大量的数据，而这些数据只会被读取这一次，那么这些数据会留存在 Redis 缓存中很长一段时间，造成缓存污染。

因此，在 Redis 4.0 之后引入了 LFU 算法来解决这个问题。

LFU 全称是 Least Frequently Used 翻译为最近最不常用的，LFU 算法是根据数据访问次数来淘汰数据的，它的核心思想是“如果数据过去被访问多次，那么将来被访问的频率也更高”。

所以， LFU 算法会记录每个数据的访问次数。当一个数据被再次访问时，就会增加该数据的访问次数。这样就解决了偶尔被访问一次之后，数据留存在缓存中很长一段时间的问题，相比于 LRU 算法也更合理一些。

typedef struct redisObject {
    ...

    // 24 bits，用于记录对象的访问信息
    unsigned lru:24;
    ...
} robj;

Redis 对象头中的 lru 字段，在 LRU 算法下和 LFU 算法下使用方式并不相同。

在 LRU 算法中，Redis 对象头的 24 bits 的 lru 字段是用来记录 key 的访问时间戳，因此在 LRU 模式下，Redis可以根据对象头中的 lru 字段记录的值，来比较最后一次 key 的访问时间长，从而淘汰最久未被使用的 key。

在 LFU 算法中，Redis对象头的 24 bits 的 lru 字段被分成两段来存储，高 16bit 存储 ldt(Last Decrement Time)，用来记录 key 的访问时间戳；低 8bit 存储 logc(Logistic Counter)，用来记录 key 的访问频次。

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