Redis LRU缓存淘汰算法

前言

内存不是无限大的，当我们向 Redis 写入的数据量超过了最大内存限制，Redis 就会启用缓存淘汰策略。
首先，我们可以配置 Redis 实例最大的内存限制：

maxmemory 100MB

然后，再配置缓存淘汰策略：

maxmemory-policy volatile-lru

Redis LRU 淘汰策略有两种：

• allkeys-lru：针对所有的 Key 执行 LRU 淘汰算法
• volatile-lru：仅针对设置了过期时间的 Key 执行 LRU 淘汰算法

配置缓存淘汰策略是有必要的，在使用缓存数据库时，我们要重点关注的一个指标就是缓存命中率，如果数据只会被访问一次，那它的缓存是没有意义的。所以我们要尽可能的提高缓存数据库的性价比，也就是提高缓存命中率。
提高缓存命中率最直接的方式，就是尽可能的保证缓存里的总是热数据，冷数据随着时间推移慢慢淘汰掉。所以我们需要一个缓存淘汰算法，那就是 LRU。

LRU

LRU 是 Least Recently Used 缩写，即最近最少使用，是一种常用的页面置换算法，选择最近最久未使用的页面予以淘汰，也常被用在缓存数据库。
LRU 最简单的实现方式就是把元素按照访问时间串联成一条链表，链头放的是最近一次访问的元素，链尾放的是最久没被访问的元素，链表中的元素只要被访问就把它移动到链头位置。然后再限制链表的长度，当有新元素被访问时，就把它加入到链头，然后把链尾的元素移除掉即可。

Redis LRU实现

如果 Redis 按照严格的 LRU 算法来实现缓存淘汰，那它要针对所有的 Key 维护一条 LRU 链表，这会带来两个问题：

• LRU 链表本身会占用大量内存空间
• 维护 LRU 链表需要额外的开销

本来内存就不够用，现在还要维护一条 LRU 链表；高访问量下，LRU 链表节点势必会频繁移动，开销不容忽视，这会影响到 Redis 的吞吐量。
所以，Redis 并没有实现严格的 LRU 算法，而是提供了一种近似 LRU 算法实现。

Redis 是键值对数据库，为了更好的管理键值对，它会为每个键值对创建一个 RedisObject 对象，其中有 24 Bit 用来存储 LRU 时间戳。

typedef struct redisObject {
    unsigned type:4; // 对外的对象类型 例如:string list hash
    unsigned encoding:4; // 对象的编码类型 例如:ziplist skiplist intset
    unsigned lru:LRU_BITS; // 对象最近一次访问的时间戳 用于LRU缓存淘汰
    int refcount; // 对象引用次数
    void *ptr; // 指向底层数据结构的指针
} robj;

RedisObject 在创建时就会写入 LRU 时间戳（除了 LRU，Redis 还支持 LFU）：

robj *createObject(int type, void *ptr) {
    robj *o = zmalloc(sizeof(*o));
    o->type = type;
    o->encoding = OBJ_ENCODING_RAW;
    o->ptr = ptr;
    o->refcount = 1;
    if (server.maxmemory_policy & MAXMEMORY_FLAG_LFU) {
        // LFU淘汰策略
        o->lru = (LFUGetTimeInMinutes()<<8) | LFU_INIT_VAL;
    } else {
        // 写入LRU时间戳
        o->lru = LRU_CLOCK();
    }
    return o;
}

LRU 时间戳是通过 LRU 时钟获取的，方法是getLRUClock() 。Redis 会以 100ms/次 的频率记录 Unix 时间戳，然后除以 LRU 时钟单位 1000，即以秒为单位，保留低 24 位时间戳。

unsigned int getLRUClock(void) {
    return (mstime()/LRU_CLOCK_RESOLUTION) & LRU_CLOCK_MAX;
}

为什么不直接获取系统时间，而是定时任务按照一定的频率记录时间？
这是因为获取系统时间要发起一次系统调用，有一定的开销。而读取 LRU 时间戳又是非常频繁的操作，出于对性能的考虑，Redis 选择周期性的读取一次系统时间。
除了创建对象时记录 LRU 时间戳，后续每次访问也会更新时间戳，访问 Key 最终会调用lookupKey() 。Redis 考虑的非常周到，如果有活跃的子进程，就会跳过更新时间戳，因为会导致 Linux 发生大量的写时复制。

robj *lookupKey(redisDb *db, robj *key, int flags) {
    dictEntry *de = dictFind(db->dict,key->ptr);
    if (de) {
        robj *val = dictGetVal(de);
        // 如果有子进程则跳过更新，会导致大量的写时复制
        if (!hasActiveChildProcess() && !(flags & LOOKUP_NOTOUCH)){
            // 更新 LRU/LFU 时间戳
            if (server.maxmemory_policy & MAXMEMORY_FLAG_LFU) {
                updateLFU(val);
            } else {
                val->lru = LRU_CLOCK();
            }
        }
        return val;
    } else {
        return NULL;
    }
}

至此，我们知道 Redis 会在 RedisObject 里用 24 Bit 空间来记录键值对访问的 LRU 时间戳。我们再重新审视一下这个 LRU 时间戳，它只有 24 Bit，就算以秒为单位，也最多能表示 16777215 秒，约 194 天。一旦超过这个范围，就会发生数据溢出，此时就会出现：一个对象明明已经闲置 194 天了，但是 Redis 认为它刚刚才被访问过。这种情况下，LRU 算法就会出现问题，好在发生的概率不高。

有了 LRU 时间戳，接下来就是查找闲置时间最久的 Key 然后删除了。
因为没有维护 LRU 链表，如果 Redis 真的要严格按照闲置时间来淘汰缓存，就需要遍历整个库，这个开销太大了。Redis 的做法是，随机采样一批 Key，然后把闲置时间最久的 Key 删除掉。采样数越大，淘汰的结果就越准确，但是开销也会越大。默认的采样数是 5，可配置：

maxmemory-samples 5

缓存淘汰的方法是performEvictions() ，它会在processCommand() 里被触发，即 Redis 执行命令都会触发。Redis 首先判断当前是否可以安全淘汰？即 Server 没有在加载数据，lua脚本也没超时：

if (!isSafeToPerformEvictions()) return EVICT_OK;

接着会评估内存使用情况，同时计算需要释放的内存大小mem_tofree ，只有当使用内存超出限制时才会继续往下走：

if (getMaxmemoryState(&mem_reported,NULL,&mem_tofree,NULL) == C_OK)
    return EVICT_OK;

如果内存确实超出了限制，再判断配置的缓存淘汰策略，如果是不淘汰，则停止，否则继续往下走。

if (server.maxmemory_policy == MAXMEMORY_NO_EVICTION)
    return EVICT_FAIL;

接着，Redis 会计算一下缓存淘汰执行的一个超时时间，避免要释放的内存比较大时，这个操作阻塞太久。如果超出了时间限制，Redis 会提交一个异步事件来继续执行，因为内存总是要释放的。

unsigned long eviction_time_limit_us = evictionTimeLimitUs();

接着 Redis 会在 while 循环内不断的淘汰 Key，直到满足释放的内存大小。因为 Redis 是随机采样的，所以需要有一个容器来承接采样到的一批 Key，为此 Redis 设计了一个结构体：

struct evictionPoolEntry {
    unsigned long long idle; // 闲置时间
    sds key; // 键名
    sds cached; // 缓存的键名
    int dbid; // 所属库
};

Redis 默认会创建长度 16 的 evictionPoolEntry 数组来承接被淘汰的候选键值对：

static struct evictionPoolEntry *EvictionPoolLRU;

接下来就是填充 EvictionPoolLRU，Redis 会遍历数据库，然后对哈希表随机采样，填充 EvictionPoolLRU。针对不同的淘汰策略，采样的哈希表也不一样。如果是针对所有 Key，采样的是db->dict 全局哈希表；如果针对设置了过期时间的 Key，采样的就是db->expires 设置了过期时间的 Key 的哈希表。被填充的 EvictionPoolLRU 最终会按照 Key 的闲置时间升序排列。

for (i = 0; i < server.dbnum; i++) {
    db = server.db+i;
    /**
     * 根据淘汰策略 访问不同的哈希表
     * db->dict: 全局哈希表 所有Key
     * db->expires: 设置了过期时间的Key的哈希表
     */
    dict = (server.maxmemory_policy & MAXMEMORY_FLAG_ALLKEYS) ?
        db->dict : db->expires;
    if ((keys = dictSize(dict)) != 0) {
        // 对哈希表随机采样，填充EvictionPoolLRU数组，按照空闲时间升序
        evictionPoolPopulate(i, dict, db->dict, pool);
        total_keys += keys;
    }
}

采样完成后，Redis 会倒序遍历 EvictionPoolLRU，优先淘汰闲置时间最久的 Key，最终会选择一个淘汰的 Key 并赋值给bestkey ，然后把候选键值对从 EvictionPoolLRU 移除。

for (k = EVPOOL_SIZE-1; k >= 0; k--) {
    if (pool[k].key == NULL) continue;
    bestdbid = pool[k].dbid;
    // 查找键值对 对应的哈希表节点
    if (server.maxmemory_policy & MAXMEMORY_FLAG_ALLKEYS) {
        de = dictFind(server.db[pool[k].dbid].dict,
                      pool[k].key);
    } else {
        de = dictFind(server.db[pool[k].dbid].expires,
                      pool[k].key);
    }
    // 从池子里移除
    if (pool[k].key != pool[k].cached)
        sdsfree(pool[k].key);
    pool[k].key = NULL;
    pool[k].idle = 0;
    if (de) {
        // 最终选择淘汰的Key
        bestkey = dictGetKey(de);
        break;
    } else {
        /* Ghost... Iterate again. */
    }
}

最后就是删除被选中的bestkey ，释放内存，Redis 支持配置是否要惰性删除。

lazyfree-lazy-eviction no

然后根据配置来选择是同步删除，还是异步删除。对于 BigKey 同于删除会有阻塞风险。

if (server.lazyfree_lazy_eviction)
    dbAsyncDelete(db,keyobj);
else
    dbSyncDelete(db,keyobj);

最后，每淘汰 16 个 Key，Redis 就会检查一下执行是否超时。一旦超出时间限制，为了不阻塞主线程，Redis 会中断执行，然后提交一个异步事件继续处理。

if (keys_freed % 16 == 0) {
    if (elapsedUs(evictionTimer) > eviction_time_limit_us) {
        if (!isEvictionProcRunning) {
            isEvictionProcRunning = 1;
            aeCreateTimeEvent(server.el, 0,
                            evictionTimeProc, NULL, NULL);
        }
        break;
    }
}

尾巴

出于对内存占用和性能的考虑，Redis 没有实现严格的 LRU 缓存淘汰算法，而是提供了一种近似实现。Redis 会在 RedisObject 用 24 Bit 记录 LRU 时间戳，当内存使用量超出限制时，Redis 将执行缓存淘汰。根据配置的淘汰策略，在全局哈希表或设置了过期时间的 Key 的哈希表里随机采样一批键值对，然后根据空闲时间排序，最后把空闲时间最久的 Key 给淘汰掉。