深入理解Redis：如何设置缓存数据的过期时间及其背后的机制

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Redis 给缓存数据设置过期时间

Redis是如何判断数据是否过期的呢？

过期的数据的删除策略

Redis 内存淘汰机制

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Redis 给缓存数据设置过期时间

一般情况下，我们设置保存的缓存数据的时候都会设置一个过期时间。为什么呢？

因为内存是有限的，如果缓存中的所有数据都是一直保存的话，分分钟直接Out of memory。

Redis 自带了给缓存数据设置过期时间的功能，比如：

127.0.0.1:6379> exp key  60 # 数据在 60s 后过期
(integer) 1
127.0.0.1:6379> setex key 60 value # 数据在 60s 后过期 (setex:[set] + [ex]pire)
OK
127.0.0.1:6379> ttl key # 查看数据还有多久过期
(integer) 56

注意：Redis中除了字符串类型有自己独有设置过期时间的命令 setex 外，其他方法都需要依靠 expire 命令来设置过期时间 。另外， persist 命令可以移除一个键的过期时间：

过期时间除了有助于缓解内存的消耗，还有什么其他用么？

很多时候，我们的业务场景就是需要某个数据只在某一时间段内存在，比如我们的短信验证码可能只在1分钟内有效，用户登录的 token 可能只在 1 天内有效。

如果使用传统的数据库来处理的话，一般都是自己判断过期，这样更麻烦并且性能要差很多。

Redis是如何判断数据是否过期的呢？

Redis 通过一个叫做过期字典（可以看作是hash表）来保存数据过期的时间。过期字典的键指向Redis数据库中的某个key(键)，过期字典的值是一个long long类型的整数，这个整数保存了key所指向的数据库键的过期时间（毫秒精度的UNIX时间戳）。

过期字典是存储在redisDb这个结构里的：

typedef struct redisDb {
    ...
    
    dict *dict;     //数据库键空间,保存着数据库中所有键值对
    dict *expires   // 过期字典,保存着键的过期时间
    ...
} redisDb;

过期的数据的删除策略

如果假设你设置了一批 key 只能存活 1 分钟，那么 1 分钟后，Redis 是怎么对这批 key 进行删除的呢？

常用的过期数据的删除策略就两个：

1. 惰性删除 ：只会在取出key的时候才对数据进行过期检查。这样对CPU最友好，但是可能会造成太多过期 key 没有被删除。

2. 定期删除 ： 每隔一段时间抽取一批 key 执行删除过期key操作。并且，Redis 底层会通过限制删除操作执行的时长和频率来减少删除操作对CPU时间的影响。

定期删除对内存更加友好，惰性删除对CPU更加友好。两者各有千秋，所以Redis 采用的是 定期删除+惰性/懒汉式删除 。

但是，仅仅通过给 key 设置过期时间还是有问题的。因为还是可能存在定期删除和惰性删除漏掉了很多过期 key 的情况。这样就导致大量过期 key 堆积在内存里，然后就Out of memory了。

怎么解决这个问题呢？答案就是： Redis 内存淘汰机制。

Redis 内存淘汰机制

Redis 提供 6 种数据淘汰策略：

1. volatile-lru（least recently used）：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（least recently used）：当内存不足以容纳新写入数据时，在键空间中，移除最近最少使用的 key（这个是最常用的）

5. allkeys-random：从数据集（server.db[i].dict）中任意选择数据淘汰

6. no-eviction：禁止驱逐数据，也就是说当内存不足以容纳新写入数据时，新写入操作会报错。这个应该没人使用吧！

4.0 版本后增加以下两种：

1. volatile-lfu（least frequently used）：从已设置过期时间的数据集(server.db[i].expires)中挑选最不经常使用的数据淘汰

2. allkeys-lfu（least frequently used）：当内存不足以容纳新写入数据时，在键空间中，移除最不经常使用的 key