Redis中键过期功能的实现

前言

最近在需求开发中又用到了我们熟知的Redis字符串操作SET命令，可以设置指定key的值value及该key的生存时间（Time To Live，TTL）。相关命令的语法如下：

set key value [EX seconds] [PX milliseconds] [NX|XX]    //TTL由EX指定秒或PX指定毫秒

expire key seconds  //expire指定TTL，单位为秒
pexpire key milliseconds    //pexpire指定TTL，单位为毫秒

expireat key timestamp  //expireat指定过期时间戳，单位为秒
pexpireat key milliseconds-timestamp    //pexpireat指定过期时间戳，单位为毫秒

TTL key //key的剩余生存时间，单位是秒
PTTL key //key的剩余生存时间，单位是毫秒

PERSIST key //移除key的过期时间

这些命令用起来挺熟练，可转念一想，Redis中键的自动过期是如何实现的呢？在翻阅资料及源码的基础上，本文主要从过期时间处理、自动删除过期键策略等方面简要介绍该功能的实现。

键的过期时间处理

设置过期时间

前言中提到，Redis有四个不同命令可以用于设置键的生存时间或过期时间。

可以通过EXPIRE或PEXPIRE命令设置该key的生存时间（Time To Live，TTL），在经过指定秒或毫秒后，Redis服务器就会自动删除生存时间为0的键key。

同时可以使用EXPIREAT或PEXPIREAT命令给键key设置过期时间（expire time）。

虽然命令形式多样，但实际上EXPIRE、PEXPIRE、EXPIREAT三个命令都是使用PEXPIREAT命令来实现的，转换方法很简单，就是将过期时间换算成时间戳，并保持时间单位统一。

保存过期时间

redisDb结构的expires字典保存了数据库中所有键的过期时间，被称为“过期字典”。

过期字典是一个指针，指向键空间中的某个对象（也即时某个数据库键）。
过期字典的值是一个long long类型的整数，保存了键所指向的数据库键的过期时间（一个毫秒精度的UNIX时间戳）。

移除过期时间

PERSIST命令可以移除一个键的过期时间，实际就是PEXPIREAT命令的反操作：PERSIST命令在过期字典中查找给定的键，并解除键和值（过期时间）在过期字典中的关联。

计算并返回剩余生存时间

可以使用TTL或PTTL命令查找给定键key的剩余生存时间（key距离被服务器删除还剩多少秒/毫秒），两个命令都是通过计算键的过期时间和当前时间的差值实现的。

过期键的判定

Redis通过查询过期字典的方式检查一个给定键是否过期：

检查给定键是否存在于过期字典：如果存在，那么取得键的过期时间；
检查当前UNIX时间戳是否大于键的过期时间：如果是的话，name键已过期；否则键未过期。

过期键删除策略

常见的三种删除策略对比

删除策略	实现	优点	缺点
定时删除	设置键的过期时间的同时，创建一个定时器（Timer），让定时器在键的过期时间来临时，立即执行对键的删除操作。	内存占用率低，通过使用定时器，可以保证过期键会尽可能快地被删除，并释放过期键所占的内存。	占用较多cpu时间，影响服务器的响应时间和吞吐量。
惰性删除	放任键过期不管，但是每次获取键时，都检查键是否已过期，如果过期则删除该键；否则返回该键。	cpu占用率低，只会在取出键时才进行过期检查，可以保证删除的目标仅限于当前的键，不会在其它过期键上花费任何cpu时间。	浪费内存，有内存泄漏的风险。
定期删除	每隔一段时间就对数据库做一次过期键的删除。但每次要删除多少过期键、要检查多少个db，则由算法决定。	是前两种策略的整合和折中，减少了内存和cpu的无谓占用。	难以确定删除操作执行的时长和频率。

Redis的过期键删除策略

Redis服务器实际使用的是惰性删除和定期删除两种策略：通过配合使用这两种策略，服务器可以很好地在合理使用cpu和避免浪费内存空间之间取得平衡。

惰性删除策略的实现

过期键的惰性删除策略由db.c/expireIfNeeded函数实现，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：

如果输入键已经过期，那么expireIfNeeded函数将输入键从数据库中删除。
如果输入键未过期，那么expireIfNeeded函数不做动作。

expireIfNeeded函数就像一个过滤器，它可以在命令真正执行之前，过滤掉过期的输入键，从而避免命令接触到过期键。另外，因为每个被访问的键都可能因为过期而被expireIfNeeded函数删除，所以每个命令的实现函数都必须能同时处理键存在和不存在的情况：

当键存在时，命令按照键存在的情况执行。
当键不存在或者键因为过期而被expireIfNeeded函数删除时，命令按照键不存在的情况执行。

定期删除策略的实现

过期键的定期删除策略由redis.c/activeExpireCycle函数实现，每当Redis的服务器周期性操作redis.c/serverCron函数执行时，activeExpireCycle函数就会被调用，它在规定的时间内，分多次遍历服务器中的各个数据库，从数据库的expires字典中随机检查一部分键的过期时间，并删除其中的过期键。

activeExpireCycle函数的工作模式可以总结如下：

函数每次运行时，都从一定数量的数据库（取min(默认16，实际数量)）中取出一定数量的随机键（默认20）进行检查，并删除其中的过期键。
全局变量current_db会记录当前activeExpireCycle函数检查的进度，并在下一次activeExpireCycle函数调用时，接着上一次的进度进行处理。
随着activeExpireCycle函数的不断执行，服务器中的所有db都会被检查一遍，这时函数将current_db变量重置为0，然后进行新一轮的定期删除。

小结

本文对Redis中键过期功能的实现做了一个简要介绍，相信读者看完之后会对大致的实现方案有所了解，但更多细节推荐阅读《Redis涉及与实现》，当然想自己去研究源码更好啦。