redis 从0到1完整学习 （十六）：内存回收之 key 过期处理策略

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1. 引言

前情提要：
《redis 从0到1完整学习 （一）：安装&初识 redis》
《redis 从0到1完整学习 （二）：redis 常用命令》
《redis 从0到1完整学习 （三）：redis 数据结构》
《redis 从0到1完整学习 （四）：字符串 SDS 数据结构》
《redis 从0到1完整学习 （五）：集合 IntSet 数据结构》
《redis 从0到1完整学习 （六）：Hash 表数据结构》
《redis 从0到1完整学习 （七）：ZipList 数据结构》
《redis 从0到1完整学习 （八）：QuickList 数据结构》
《redis 从0到1完整学习 （九）：SkipList 数据结构》
《redis 从0到1完整学习 （十）：RedisObject 数据结构》
《redis 从0到1完整学习 （十一）：RedisObject 之 String 类型》
《redis 从0到1完整学习 （十二）：RedisObject 之 List 类型》
《redis 从0到1完整学习 （十三）：RedisObject 之 Set 类型》
《redis 从0到1完整学习 （十四）：RedisObject 之 ZSet 类型》
《redis 从0到1完整学习 （十五）：RedisObject 之 Hash 类型》

之前我们介绍了很多 redis 的 value 类型，包含 String、Set、Hash、List 等等，本文主要介绍 redis 的 key 过期处理策略，包含惰性清理、定期清理。

2. redis 源码下载

Redis 源码可以点击这里下载，方便查看其中定义的一些数据结构。

3. redisDb 结构体

Redis 数据库在 Redis 内部实现上是通过 redisDb 结构体来表示的。redisDb 结构体包含了特定数据库实例的所有信息，包括其键值对、过期时间、以及其它与该数据库相关的属性和功能。

源码结构体如下：

redisDb 结构体详细介绍：

typedef struct redisDb {
    dict *dict; // 一个字典，存储数据库中的所有键值对，键为 SDS 字符串，值为 redisObject 指针
    dict *expires; // 一个字典，存储了具有过期时间的键及其对应的 UNIX 时间戳
    dict *blocking_keys; // （如果支持事务阻塞的话）记录了正处于阻塞状态的键
    dict *watched_keys; // （如果支持 WATCH 命令的话）记录了被客户端监视的键
    int id; // 数据库编号，默认情况下 Redis 有 16 个数据库，编号从 0 到 15
    long long avg_ttl; // 平均剩余生存时间（TTL），用于统计分析和优化定期删除策略
    /* 其他相关字段 */
} redisDb;

具体字段可能会随着 Redis 不同版本而有所增减或调整。每个 redisDb 结构体代表 Redis 中的一个逻辑数据库，并且这些数据库都存放在全局的 redisServer 结构体的 db 数组中。用户可以通过 SELECT 命令切换到不同的数据库进行操作。

4. Redis 过期 key 的处理策略

Redis 源码中对于过期 key 的处理主要包括两种策略：惰性删除（Lazy Expiration）和定期删除（Active Expire）。

4.1 惰性删除 (Lazy Expiration)

当客户端尝试访问一个已过期的 key 时，Redis 会在返回给客户端 key 值之前检查该 key 是否已过期。如果发现 key 已过期，则会立即从数据库中删除该 key，并返回相应的响应（如 nil 表示不存在 key）。这种方式资源消耗少，但会导致过期 key 在被访问前一直占用内存空间。

robj *lookupKeyWriteWithFlags(redisDb *db, robj *key, int flags) {
	   // 检查key是否过期，过期如果是惰性删除策略，则删除
	    expireIfNeeded(db,key);
	    return lookupKey(db,key,flags);
}

int expireIfNeeded(redisDb *db, robj *key) {
	// 没有过期，返回
    if (!keyIsExpired(db,key)) return 0;
	
	...
	// 过期了，删除
    int retval = server.lazyfree_lazy_expire ? dbAsyncDelete(db,key) :
	...                                  	
}

4.2 定期删除 (Active Expire / Periodic Expiration)*

Redis 通过后台线程周期性地从数据库中随机抽取一定数量的 key 进行检查，以主动清理过期 key。这个过程由 redis.c 文件中的 expireIfNeeded() 函数在每次访问 key 时触发，以及由 db.c 文件中的 activeExpireCycle() 函数按照配置的周期来执行。Redis 使用一个名为“过期字典”（expired dict）的数据结构存储了所有设置了过期时间的 key 和它们对应的过期时间戳。

具体实现如下：

1. Redis 定义了一个名为 activeExpireCycle 的函数，该函数会周期性地被调用，通常是由 Redis 主进程中的定时任务或者事件驱动触发。

2. activeExpireCycle 函数会选择一定数量的数据库进行遍历，并对每个数据库中的一部分 key 进行随机抽样检查其过期时间。

3. 检查过程中，Redis 会根据当前时间和 key 的过期时间戳判断 key 是否已过期。如果发现某个 key 已经过期，则立即将其从数据库中删除。

4. Redis 会动态调整这个清理过程的速度和范围，以尽量保证不过于频繁地消耗 CPU 资源，同时又能及时清理掉大量过期的 key，避免内存资源浪费。执行周期有两种模式：

   • SLOW 模式规则：
     • 执行频率受 server.hz 影响，默认为10，即每秒执行10次，每个执行周期100ms。
     • 执行清理耗时不超过一次执行周期的25%。默认 slow 模式耗时不超过25ms
     • 逐个遍历 db，逐个遍历 db 中的 bucket，抽取20个 key 判断是否过期
     • 如果没达到时间上限（25ms）并且过期 key 比例大于10%，再进行一次抽样，否则结束
   • FAST 模式规则（过期 key 比例小于10%不执行 ）：
     • 执行频率受 beforeSleep() 调用频率影响，但两次FAST模式间隔不低于2ms
     • 执行清理耗时不超过1ms
     • 逐个遍历 db，逐个遍历 db中的 bucket，抽取20个 key 判断是否过期
       如果没达到时间上限（1ms）并且过期 key 比例大于10%，再进行一次抽样，否则结束

5. 在实际操作中，Redis 也会根据服务器的负载情况、已使用内存与 maxmemory 设置等因素灵活调整清理策略，确保系统性能和资源的有效利用。

总的来看，定期删除是一种主动但又较为温和的过期 key 清理策略，它配合惰性删除共同维护了 Redis 内存的高效管理。
这两种机制结合使用可以确保 Redis 在不过度消耗 CPU 资源的情况下，有效地管理过期 key，从而避免内存浪费。同时，Redis 也会尽可能保证过期数据不会长时间不被清理。

5. 参考

《redis 从0到1完整学习 （一）：安装&初识 redis》
《redis 从0到1完整学习 （二）：redis 常用命令》
《redis 从0到1完整学习 （三）：redis 数据结构》
《redis 从0到1完整学习 （四）：字符串 SDS 数据结构》
《redis 从0到1完整学习 （五）：集合 IntSet 数据结构》
《redis 从0到1完整学习 （六）：Hash 表数据结构》
《redis 从0到1完整学习 （七）：ZipList 数据结构》
《redis 从0到1完整学习 （八）：QuickList 数据结构》
《redis 从0到1完整学习 （九）：SkipList 数据结构》
《redis 从0到1完整学习 （十）：RedisObject 数据结构》
《redis 从0到1完整学习 （十一）：RedisObject 之 String 类型》
《redis 从0到1完整学习 （十二）：RedisObject 之 List 类型》
《redis 从0到1完整学习 （十三）：RedisObject 之 Set 类型》
《redis 从0到1完整学习 （十四）：RedisObject 之 ZSet 类型》
《redis 从0到1完整学习 （十五）：RedisObject 之 Hash 类型》

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