Java 源码剖析(19)--简述 Redis 过期策略和内存淘汰机制

1） 惰性删除和定期删除

我们在新增 Redis 缓存时可以设置缓存的过期时间，该时间保证了数据在规定的时间内失效，可以借助这个特性来实现很多功能。比如，存储一定天数的用户（登录）会话信息，这样在一定范围内用户不用重复登录了，但为了安全性，需要在一定时间之后重新验证用户的信息。因此，我们可以使用 Redis 设置过期时间来存储用户的会话信息。

对于已经过期的数据，Redis 将使用两种策略来删除这些过期键，它们分别是惰性删除和定期删除。

惰性删除是指 Redis 服务器不主动删除过期的键值，而是当访问键值时，再检查当前的键值是否过期，如果过期则执行删除并返回 null 给客户端；如果没过期则正常返回值信息给客户端。

它的优点是不会浪费太多的系统资源，只是在每次访问时才检查键值是否过期。缺点是删除过期键不及时，造成了一定的空间浪费。

惰性删除的源码位于 src/db.c 文件的 expireIfNeeded 方法中，如下所示：

int expireIfNeeded(redisDb *db, robj *key) {
    // 判断键是否过期
    if (!keyIsExpired(db,key)) return 0;
    if (server.masterhost != NULL) return 1;
    /* 删除过期键 */
    // 增加过期键个数
    server.stat_expiredkeys++;
    // 传播键过期的消息
    propagateExpire(db,key,server.lazyfree_lazy_expire);
    notifyKeyspaceEvent(NOTIFY_EXPIRED,
        "expired",key,db->id);
    // server.lazyfree_lazy_expire 为 1 表示异步删除，否则则为同步删除
    return server.lazyfree_lazy_expire ? dbAsyncDelete(db,key) :
                                         dbSyncDelete(db,key);
}
// 判断键是否过期
int keyIsExpired(redisDb *db, robj *key) {
    mstime_t when = getExpire(db,key);
    if (when < 0) return 0; 
    if (server.loading) return 0;
    mstime_t now = server.lua_caller ? server.lua_time_start : mstime();
    return now > when;
}
// 获取键的过期时间
long long getExpire(redisDb *db, robj *key) {
    dictEntry *de;
    if (dictSize(db->expires) == 0 ||
       (de = dictFind(db->expires,key->ptr)) == NULL) return -1;
    serverAssertWithInfo(NULL,key,dictFind(db->dict,key->ptr) != NULL);
    return dictGetSignedIntegerVal(de);
}

惰性删除的执行流程如下图所示：

除了惰性删除之外，Redis 还提供了定期删除功能以弥补惰性删除的不足。

定期删除：指 Redis 服务器每隔一段时间会检查一下数据库，看看是否有过期键可以被清除。

默认情况下 Redis 定期检查的频率是每秒扫描 10 次，用于定期清除过期键。当然此值还可以通过配置文件进行设置，在 redis.conf 中修改配置“hz”即可，默认的值为“hz 10”。

小贴士：定期删除的扫描并不是遍历所有的键值对，这样的话比较费时且太消耗系统资源。Redis 服务器采用的是随机抽取形式，每次从过期字典中，取出 20 个键进行过期检测，过期字典中存储的是所有设置了过期时间的键值对。如果这批随机检查的数据中有 25% 的比例过期，那么会再抽取 20 个随机键值进行检测和删除，并且会循环执行这个流程，直到抽取的这批数据中过期键值小于 25%，此次检测才算完成。

定期删除的源码在 expire.c 文件的 activeExpireCycle 方法中，如下所示：

void activeExpireCycle(int type) {
    static unsigned int current_db = 0; /* 上次定期删除遍历到的数据库ID */
    static int timelimit_exit = 0;      
    static long long last_fast_cycle = 0; /* 上次执行定期删除的时间点 */
    int j, iteration = 0;
    int dbs_per_call = CRON_DBS_PER_CALL; // 需要遍历数据库的数量
    long long start = ustime(), timelimit, elapsed;
    if (clientsArePaused()) return;
    if (type == ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_FAST) {
        if (!timelimit_exit) return;
        // ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_FAST_DURATION 快速定期删除的执行时长
        if (start < last_fast_cycle + ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_FAST_DURATION*2) return;
        last_fast_cycle = start;
    }
    if (dbs_per_call > server.dbnum || timelimit_exit)
        dbs_per_call = server.dbnum;
    // 慢速定期删除的执行时长
    timelimit = 1000000*ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_SLOW_TIME_PERC/server.hz/100;
    timelimit_exit = 0;
    if (timelimit <= 0) timelimit = 1;
    if (type == ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_FAST)
        timelimit = ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_FAST_DURATION; /* 删除操作花费的时间 */
    long total_sampled = 0;
    long total_expired = 0;
    for (j = 0; j < dbs_per_call && timelimit_exit == 0; j++) {
        int expired;
        redisDb *db = server.db+(current_db % server.dbnum);
        current_db++;
        do {
            // .......
            expired = 0;
            ttl_sum = 0;
            ttl_samples = 0;
            // 每个数据库中检查的键的数量
            if (num > ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_LOOKUPS_PER_LOOP)
                num = ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_LOOKUPS_PER_LOOP;
            // 从数据库中随机选取 num 个键进行检查
            while (num--) {
                dictEntry *de;
                long long ttl;
                if ((de = dictGetRandomKey(db->expires)) == NULL) break;
                ttl = dictGetSignedInteger
                // 过期检查，并对过期键进行删除
                if (activeExpireCycleTryExpire(db,de,now)) expired++;
                if (ttl > 0) {
                    ttl_sum += ttl;
                    ttl_samples++;
                }
                total_sampled++;
            }
            total_expired += expired;
            if (ttl_samples) {
                long long avg_ttl = ttl_sum/ttl_samples;
                if (db->avg_ttl == 0) db->avg_ttl = avg_ttl;
                db->avg_ttl = (db->avg_ttl/50)*49 + (avg_ttl/50);
            }
            if ((iteration & 0xf) == 0) { /* check once every 16 iterations. */
                elapsed = ustime()-start;
                if (elapsed > timelimit) {
                    timelimit_exit = 1;
                    server.stat_expired_time_cap_reached_count++;
                    break;
                }
            }
            /* 判断过期键删除数量是否超过 25% */
        } while (expired > ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_LOOKUPS_PER_LOOP/4);
    }
    // .......
}

定期删除的执行流程，如下图所示：

小贴士：Redis 服务器为了保证过期删除策略不会导致线程卡死，会给过期扫描增加了最大执行时间为 25ms。

以上是 Redis 服务器对待过期键的处理方案，当 Redis 的内存超过最大允许的内存之后，Redis 会触发内存淘汰策略，这和过期策略是完全不同的两个概念，经常有人把二者搞混，这两者一个是在正常情况下清除过期键，一个是在非正常情况下为了保证 Redis 顺利运行的保护策略。

当 Redis 内存不够用时，Redis 服务器会根据服务器设置的淘汰策略，删除一些不常用的数据，以保证 Redis 服务器的顺利运行。

2） Redis 内存淘汰策略

我们可以使用 config get maxmemory-policy 命令，来查看当前 Redis 的内存淘汰策略，示例代码如下：

127.0.0.1:6379> config get maxmemory-policy
1) "maxmemory-policy"
2) "noeviction"

从上面的结果可以看出，当前 Redis 服务器设置的是“noeviction”类型的内存淘汰策略，那么这表示什么含义呢？Redis 又有几种内存淘汰策略呢？在 4.0 版本之前 Redis 的内存淘汰策略有以下 6 种：

• noeviction：不淘汰任何数据，当内存不足时，执行缓存新增操作会报错，它是 Redis 默认内存淘汰策略；
• allkeys-lru：淘汰整个键值中最久未使用的键值；
• allkeys-random：随机淘汰任意键值；
• volatile-lru：淘汰所有设置了过期时间的键值中最久未使用的键值；
• 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。

可以看出我们上面示例使用的是 Redis 默认的内存淘汰策略“noeviction”。而在 Redis 4.0 版本中又新增了 2 种淘汰策略：

• volatile-lfu，淘汰所有设置了过期时间的键值中最少使用的键值；
• allkeys-lfu，淘汰整个键值中最少使用的键值。

小贴士：从以上内存淘汰策略中可以看出，allkeys-xxx 表示从所有的键值中淘汰数据，而 volatile-xxx 表示从设置了过期键的键值中淘汰数据。
这个内存淘汰策略我们可以通过配置文件来修改，redis.conf 对应的配置项是“maxmemory-policy noeviction”，只需要把它修改成我们需要设置的类型即可。

需要注意的是，如果使用修改 redis.conf 的方式，当设置完成之后需要重启 Redis 服务器才能生效。

还有另一种简单的修改内存淘汰策略的方式，我们可以使用命令行工具输入“config set maxmemory-policy noeviction”来修改内存淘汰的策略，这种修改方式的好处是执行成功之后就会生效，无需重启 Redis 服务器。但它的坏处是不能持久化内存淘汰策略，每次重启 Redis 服务器之后设置的内存淘汰策略就会丢失。

3） Redis 内存淘汰算法

内存淘汰算法主要包含两种：LRU 淘汰算法和 LFU 淘汰算法。

LRU（ Least Recently Used，最近最少使用）淘汰算法：是一种常用的页面置换算法，也就是说最久没有使用的缓存将会被淘汰。LRU 是基于链表结构实现的，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，当需要进行内存淘汰时，只需要删除链表尾部的元素即可。

Redis 使用的是一种近似 LRU 算法，目的是为了更好的节约内存，它的实现方式是给现有的数据结构添加一个额外的字段，用于记录此键值的最后一次访问时间。Redis 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数据。

LFU（Least Frequently Used，最不常用的）淘汰算法：最不常用的算法是根据总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”。

LFU 相对来说比 LRU 更“智能”，因为它解决了使用频率很低的缓存，只是最近被访问了一次就不会被删除的问题。如果是使用 LRU 类似这种情况数据是不会被删除的，而使用 LFU 的话，这个数据就会被删除。

Redis 内存淘汰策略使用了 LFU 和近 LRU 的淘汰算法，具体使用哪种淘汰算法，要看服务器是如何设置内存淘汰策略的，也就是要看“maxmemory-policy”的值是如何设置的。