浅谈 Redis 键过期策略
浅谈 Redis 键过期策略
在 Redis 中，我们都知道 Redis 的键值对都是存储在内存中的，要是我们一直往 Redis 中添加键值对，最后就会导致 OOM，所以我们需要定期的去删除一些键值对，来保证内存不会爆，此时我们就需要了解 Redis 的键过期策略了
在学会键过期策略之前，我们还是先来讲解如何使用键过期策略吧
一、过期设置
Redis 中设置过期时间主要通过以下四种方式：
- expire key seconds：设置 key 在 n 秒后过期；
- pexpire key milliseconds：设置 key 在 n 毫秒后过期；
- expireat key timestamp：设置 key 在某个时间戳（精确到秒）之后过期；
- pexpireat key millisecondsTimestamp：设置 key 在某个时间戳（精确到毫秒）之后过期；
下面我们依次来演示这几种过期设置吧
expire：N 秒后过期
127.0.0.1:6379> set key value
OK
127.0.0.1:6379> expire key 100
(integer) 1
127.0.0.1:6379> ttl key
(integer) 97
其中命令 ttl 的全称是 Time To Live，表示此键值在 n 秒后过期。例如，上面的结果 97 表示 key 在 97s 后过期。
pexpire：N 毫秒后过期
127.0.0.1:6379> set key2 value2
OK
127.0.0.1:6379> pexpire key2 100000
(integer) 1
127.0.0.1:6379> pttl key2
(integer) 94524
其中 pexpire key2 100000 表示设置 key2 在 100000 毫秒（100 秒）后过期。
expireat：过期时间戳精确到秒
127.0.0.1:6379> set key3 value3
OK
127.0.0.1:6379> expireat key3 1573472683
(integer) 1
127.0.0.1:6379> ttl key3
(integer) 67
其中 expireat key3 1573472683 表示 key3 在时间戳 1573472683 后过期（精确到秒），使用 ttl 查询可以发现在 67s 后 key3 会过期。
小贴士：在 Redis 可以使用 time 命令查询当前时间的时间戳（精确到秒），示例如下：
127.0.0.1:6379> time 1. "1573472563" 2. "248426"
pexpireat：过期时间戳精确到毫秒
127.0.0.1:6379> set key4 value4
OK
127.0.0.1:6379> pexpireat key4 1573472683000
(integer) 1
127.0.0.1:6379> pttl key4
(integer) 3522
其中 pexpireat key4 1573472683000 表示 key4 在时间戳 1573472683000 后过期（精确到毫秒），使用 ttl 查询可以发现在 3522ms 后 key4 会过期。
字符串中的过期操作
字符串中几个直接操作过期时间的方法，如下列表：
- set key value ex seconds：设置键值对的同时指定过期时间（精确到秒）；
- set key value px milliseconds：设置键值对的同时指定过期时间（精确到毫秒）；
- setex key seconds valule：设置键值对的同时指定过期时间（精确到秒）。
实现示例如下:
1. set key value ex seconds
127.0.0.1:6379> set k v ex 100
OK
127.0.0.1:6379> ttl k
(integer) 97
2. set key value ex milliseconds
127.0.0.1:6379> set k2 v2 px 100000
OK
127.0.0.1:6379> pttl k2
(integer) 92483
3. setex key seconds valule
127.0.0.1:6379> setex k3 100 v3
OK
127.0.0.1:6379> ttl k3
(integer) 91
二、移除过期时间
当我们设置键的过期时间之后，其实我们还可以移除键的过期时间，可以使用命令 persist key 可以移除键值的过期时间，如下代码所示：
127.0.0.1:6379> ttl k3
(integer) 97
127.0.0.1:6379> persist k3
(integer) 1
127.0.0.1:6379> ttl k3
(integer) -1
可以看出第一次使用 ttl 查询 k3 会在 97s 后过期，当使用了 persist 命令之后，在查询 k3 的存活时间发现结果是 -1，它表示 k3 永不过期。
其他过期操作方法：
- pexpire(String key, long milliseconds)：设置 n 毫秒后过期；
- expireAt(String key, long unixTime)：设置某个时间戳后过期（精确到秒）；
- pexpireAt(String key, long millisecondsTimestamp)：设置某个时间戳后过期（精确到毫秒）；
三、持久化中的过期键
RDB 中的过期键
DB 文件分为两个阶段，RDB 文件生成阶段和加载阶段。
1. RDB 文件生成
从内存状态持久化成 RDB（文件）的时候，会对 key 进行过期检查，过期的键不会被保存到新的 RDB 文件中，因此 Redis 中的过期键不会对生成新 RDB 文件产生任何影响。
2. RDB 文件加载
RDB 加载分为以下两种情况：
- 如果 Redis 是主服务器运行模式的话，在载入 RDB 文件时，程序会对文件中保存的键进行检查，过期键不会被载入到数据库中。所以过期键不会对载入 RDB 文件的主服务器造成影响；
- 如果 Redis 是从服务器运行模式的话，在载入 RDB 文件时，不论键是否过期都会被载入到数据库中。但由于主从服务器在进行数据同步时，从服务器的数据会被清空。所以一般来说，过期键对载入 RDB 文件的从服务器也不会造成影响。
AOF 中的过期键
1. AOF 文件写入
当 Redis 以 AOF 模式持久化时，如果数据库某个过期键还没被删除，那么 AOF 文件会保留此过期键，当此过期键被删除后，Redis 会向 AOF 文件追加一条 DEL 命令来显式地删除该键值。
2. AOF 重写
执行 AOF 重写时，会对 Redis 中的键值对进行检查已过期的键不会被保存到重写后的 AOF 文件中，因此不会对 AOF 重写造成任何影响。
四、主从库的过期键
当 Redis 运行在主从模式下时，从库不会进行过期扫描，从库对过期的处理是被动的。也就是即使从库中的 key 过期了，如果有客户端访问从库时，依然可以得到 key 对应的值，像未过期的键值对一样返回。
从库的过期键处理依靠主服务器控制，主库在 key 到期时，会在 AOF 文件里增加一条 del 指令，同步到所有的从库，从库通过执行这条 del 指令来删除过期的 key。
五、过期策略原理分析
讲完了过期键设置的基本使用，我们更加需要知道它的原理
过期键执行流程
Redis 之所以能知道那些键值过期，是因为在 Redis 中维护了一个字典，存储了所有设置了过期时间的键值，我们称之为过期字典。
过期键判断流程如下图所示：
过期键数据结构（字典）如下图所示：
六、过期策略
Redis 会删除已过期的键值，以此来减少 Redis 的空间占用，但因为 Redis 本身是单线的，如果因为删除操作而影响主业务的执行就得不偿失了，为此 Redis 需要制定多个（过期）删除策略来保证糟糕的事情不会发生。
常见的过期策略有以下三种：
- 定时删除
- 惰性删除
- 定期删除
下面分别来看每种策略有何不同吧
定时删除
在设置键值过期时间时，创建一个定时事件，当过期时间到达时，由事件处理器自动执行键的删除操作。
- **优点：**保证内存可以被尽快地释放。
- **缺点：**在 Redis 高负载的情况下或有大量过期键需要同时处理时，会造成 Redis 服务器卡顿，影响主业务执行。
惰性删除
不主动删除过期键，每次从数据库获取键值时判断是否过期，如果过期则删除键值，并返回 null。
- **优点：**因为每次访问时，才会判断过期键，所以此策略只会使用很少的系统资源。
- **缺点：**系统占用空间删除不及时，导致空间利用率降低，造成了一定的空间浪费。
定期删除
每隔一段时间检查一次数据库，随机删除一些过期键。
Redis 默认每秒进行 10 次过期扫描，此配置可通过 Redis 的配置文件 redis.conf 进行配置，配置键为 hz 它的默认值是 hz 10。
小贴士：Redis 每次扫描并不是遍历过期字典中的所有键，而是采用随机抽取判断并删除过期键的形式执行的。
定期删除流程
- 从过期字典中随机取出 20 个键；
- 删除这 20 个键中过期的键；
- 如果过期 key 的比例超过 25%，重复步骤 1。
同时为了保证过期扫描不会出现循环过度，导致线程卡死现象，算法还增加了扫描时间的上限，默认不会超过 25ms。
定期删除执行流程，如下图所示：
- **优点：**通过限制删除操作的时长和频率，来减少删除操作对 Redis 主业务的影响，同时也能删除一部分过期的数据减少了过期键对空间的无效占用。
- **缺点：**内存清理方面没有定时删除效果好，同时没有惰性删除使用的系统资源少。
小贴士：Redis 使用的是惰性删除加定期删除的过期策略。
七、小结
本文我们知道了 Redis 中的四种设置过期时间的方式：expire、pexpire、expireat、pexpireat，其中比较常用的是 expire 设置键值 n 秒后过期。
字符串中可以在添加键值的同时设置过期时间，并可以使用 persist 命令移除过期时间。同时我们也知道了过期键在 RDB 写入和 AOF 重写时都不会被记录。
过期键在主从模式下，从库对过期键的处理要完全依靠主库，主库删除过期键之后会发送 del 命令给所有的从库。
Redis 是通过设置过期字典的形式来判断过期键的，Redis 采用的是惰性删除和定期删除的形式删除过期键的，Redis 的定期删除策略并不会遍历删除每个过期键，而是采用随机抽取的方式删除过期键，同时为了保证过期扫描不影响 Redis 主业务，Redis 的定期删除策略中还提供了最大执行时间，以保证 Redis 正常并高效
巨人的肩膀：
http://learn.lianglianglee.com/%E4%B8%93%E6%A0%8F/Redis%20%E6%A0%B8%E5%BF%83%E5%8E%9F%E7%90%86%E4%B8%8E%E5%AE%9E%E6%88%98/18%20Redis%20%E8%BF%87%E6%9C%9F%E7%AD%96%E7%95%A5%E4%B8%8E%E6%BA%90%E7%A0%81%E5%88%86%E6%9E%90.md