Redis中的内存释放与过期键删除

简介

在Redis中，内存的大小是有限的，所以为了防止内存饱和，需要实现某种键淘汰策略。主要有两种方法，一种是当Redis内存不足时所采用的内存释放策略。另一种是对过期键进行删除的策略，也可以在某种程度上释放内存。

相关数据结构

Redis中的数据库结构如下：

 /*
  * 数据库结构
  */
 typedef struct redisDb {
     // key space，包括键值对象
     dict *dict;                 /* The keyspace for this DB */
     // 保存 key 的过期时间
     dict *expires;              /* Timeout of keys with a timeout set */
     // 正因为某个/某些 key 而被阻塞的客户端
     dict *blocking_keys;        /* Keys with clients waiting for data (BLPOP) */
     // 某个/某些接收到 PUSH 命令的阻塞 key
     dict *ready_keys;           /* Blocked keys that received a PUSH */
     // 正在监视某个/某些 key 的所有客户端
     dict *watched_keys;         /* WATCHED keys for MULTI/EXEC CAS */
     // 数据库的号码
     int id;
 } redisDb;

其中的expires字典保存了数据库总所有键的过期时间。在expires里，对象中的键和dict一样，但是它的value是标识过期时间的值，以便在删除过期键的时候使用。

Redis的服务器中有一个为LRU算法准备的lruclock：

 struct redisServer{
        ....
        /* Clock incrementing every minute, for LRU */
        unsigned lruclock:22;
        ....
 }

这个lruclock会在定时调用的函数serverCron中进行实时更新。而创建对象的时候，会将对象的lru设置成当前的服务器的lruclock。同样，在访问键的时候，会对lru进行一次更新。

 /*
  * 根据给定类型和值，创建新对象
  */
 robj *createObject(int type, void *ptr) {

     // 分配空间
     robj *o = zmalloc(sizeof(*o));
     ......
     /* Set the LRU to the current lruclock (minutes resolution). */
     o->lru = server.lruclock;

     return o;
 }

内存释放的策略

Redis中有专门释放内存的函数：freeMmoryIfNeeded。每当执行一个命令的时候，就会调用该函数来检测内存是否够用。如果已用内存大于最大内存限制，它就会进行内存释放。

 /* Check if we are over the memory limit. */
 if (mem_used <= server.maxmemory) return REDIS_OK;

 if (server.maxmemory_policy == REDIS_MAXMEMORY_NO_EVICTION)
     return REDIS_ERR; /* We need to free memory, but policy forbids. */

当需要进行内存释放的时候，需要用某种策略对保存的的对象进行删除。Redis有六种策略：

1. volatile-lru：从已设置过期时间的数据集（server.db[i].expires）中挑选最近最少使用的数据淘汰
2. volatile-ttl：从已设置过期时间的数据集（server.db[i].expires）中挑选将要过期的数据淘汰
3. volatile-random：从已设置过期时间的数据集（server.db[i].expires）中任意选择数据淘汰
4. allkeys-lru：从数据集（server.db[i].dict）中挑选最近最少使用的数据淘汰
5. allkeys-random：从数据集（server.db[i].dict）中任意选择数据淘汰
6. no-enviction（驱逐）：禁止驱逐数据

先判断是从过期集expires中删除键还是从所有数据集dict中删除键

 if (server.maxmemory_policy == REDIS_MAXMEMORY_ALLKEYS_LRU ||
     server.maxmemory_policy == REDIS_MAXMEMORY_ALLKEYS_RANDOM)
 {
     dict = server.db[j].dict;
 } else {
     dict = server.db[j].expires;
 }

如果是随机算法，就直接挑选一个随机键进行删除

 /* volatile-random and allkeys-random policy */
 // 随机算法
 if (server.maxmemory_policy == REDIS_MAXMEMORY_ALLKEYS_RANDOM ||
     server.maxmemory_policy == REDIS_MAXMEMORY_VOLATILE_RANDOM)
 {
     de = dictGetRandomKey(dict);
     bestkey = dictGetKey(de);
 }

如果是LRU算法，就采用局部的LRU。意思是不是从所有数据中找到LRU，而是随机找到若干个键，删除其中的LRU键。

 /* volatile-lru and allkeys-lru policy */
 // LRU 算法
 else if (server.maxmemory_policy == REDIS_MAXMEMORY_ALLKEYS_LRU ||
     server.maxmemory_policy == REDIS_MAXMEMORY_VOLATILE_LRU)
 {
     for (k = 0; k < server.maxmemory_samples; k++) {
         sds thiskey;
         long thisval;
         robj *o;

         de = dictGetRandomKey(dict);
         thiskey = dictGetKey(de);
         /* When policy is volatile-lru we need an additional lookup
          * to locate the real key, as dict is set to db->expires. */
         if (server.maxmemory_policy == REDIS_MAXMEMORY_VOLATILE_LRU)
             de = dictFind(db->dict, thiskey);
         o = dictGetVal(de);
         thisval = estimateObjectIdleTime(o);

         /* Higher idle time is better candidate for deletion */
         if (bestkey == NULL || thisval > bestval) {
             bestkey = thiskey;
             bestval = thisval;
         }
     }
 }

如果是TTL算法，就在expires中随机挑几个数据，找到最近的要过期的键进行删除。

 /* volatile-ttl */
 // TTL 算法
 else if (server.maxmemory_policy == REDIS_MAXMEMORY_VOLATILE_TTL) {
     for (k = 0; k < server.maxmemory_samples; k++) {
         sds thiskey;
         long thisval;

         de = dictGetRandomKey(dict);
         thiskey = dictGetKey(de);
         thisval = (long) dictGetVal(de);

         /* Expire sooner (minor expire unix timestamp) is better
          * candidate for deletion */
         if (bestkey == NULL || thisval < bestval) {
             bestkey = thiskey;
             bestval = thisval;
         }
     }
 }

过期键删除的策略

惰性删除

所有读写数据库的Redis命令在执行之前都会调用expireIfNeeded函数对输入键进行检查。如果过期就删除，如果没过期就正常访问。这种只有在访问时才检查过期的策略叫做定期删除。

 int expireIfNeeded(redisDb *db, robj *key) {
     // 取出 key 的过期时间
     long long when = getExpire(db,key);

     // key 没有过期时间，直接返回
     if (when < 0) return 0; /* No expire for this key */

     /* Don't expire anything while loading. It will be done later. */
     // 不要在服务器载入数据时执行过期
     if (server.loading) return 0;

     /* If we are running in the context of a slave, return ASAP:
      * the slave key expiration is controlled by the master that will
      * send us synthesized DEL operations for expired keys.
      *
      * Still we try to return the right information to the caller,
      * that is, 0 if we think the key should be still valid, 1 if
      * we think the key is expired at this time. */
     // 如果服务器作为附属节点运行，那么直接返回
     // 因为附属节点的过期是由主节点通过发送 DEL 命令来删除的
     // 不必自主删除
     if (server.masterhost != NULL) {
         // 返回一个理论上正确的值，但不执行实际的删除操作
         return mstime() > when;
     }

     /* Return when this key has not expired */
     // 未过期
     if (mstime() <= when) return 0;

     /* Delete the key */
     server.stat_expiredkeys++;

     // 传播过期命令
     propagateExpire(db,key);

     // 从数据库中删除 key
     return dbDelete(db,key);
 }

定期删除

每当周期性函数serverCron执行时，会调用activeExpireCycle进行主动的过期键删除。具体方法是在规定的时间内，多次从expires中随机挑一个键，检查它是否过期，如果过期则删除。

 void activeExpireCycle(void) {
     int j, iteration = 0;
     long long start = ustime(), timelimit;

     /* We can use at max REDIS_EXPIRELOOKUPS_TIME_PERC percentage of CPU time
      * per iteration. Since this function gets called with a frequency of
      * REDIS_HZ times per second, the following is the max amount of
      * microseconds we can spend in this function. */
     // 这个函数可以使用的时长（毫秒）
     timelimit = 1000000*REDIS_EXPIRELOOKUPS_TIME_PERC/REDIS_HZ/100;
     if (timelimit <= 0) timelimit = 1;

     for (j = 0; j < server.dbnum; j++) {
         int expired;
         redisDb *db = server.db+j;

         /* Continue to expire if at the end of the cycle more than 25%
          * of the keys were expired. */
         do {
             unsigned long num = dictSize(db->expires);
             unsigned long slots = dictSlots(db->expires);
             long long now = mstime();

             /* When there are less than 1% filled slots getting random
              * keys is expensive, so stop here waiting for better times...
              * The dictionary will be resized asap. */
             // 过期字典里只有 %1 位置被占用，调用随机 key 的消耗比较高
             // 等 key 多一点再来
             if (num && slots > DICT_HT_INITIAL_SIZE &&
                 (num*100/slots < 1)) break;

             /* The main collection cycle. Sample random keys among keys
              * with an expire set, checking for expired ones. */
             // 从过期字典中随机取出 key ，检查它是否过期
             expired = 0;    // 被删除 key 计数
             if (num > REDIS_EXPIRELOOKUPS_PER_CRON) // 最多每次可查找的次数
                 num = REDIS_EXPIRELOOKUPS_PER_CRON;
             while (num--) {
                 dictEntry *de;
                 long long t;

                 // 随机查找带有 TTL 的 key ，看它是否过期
                 // 如果数据库为空，跳出
                 if ((de = dictGetRandomKey(db->expires)) == NULL) break;

                 t = dictGetSignedIntegerVal(de);
                 if (now > t) {
                     // 已过期
                     sds key = dictGetKey(de);
                     robj *keyobj = createStringObject(key,sdslen(key));

                     propagateExpire(db,keyobj);
                     dbDelete(db,keyobj);
                     decrRefCount(keyobj);
                     expired++;
                     server.stat_expiredkeys++;
                 }
             }
             /* We can't block forever here even if there are many keys to
              * expire. So after a given amount of milliseconds return to the
              * caller waiting for the other active expire cycle. */
             // 每次进行 16 次循环之后，检查时间是否超过，如果超过，则退出
             iteration++;
             if ((iteration & 0xf) == 0 && /* check once every 16 cycles. */
                 (ustime()-start) > timelimit) return;

         } while (expired > REDIS_EXPIRELOOKUPS_PER_CRON/4);
     }
 }