Redis 的内存淘汰算法与原理详解

引言

Redis 是一款基于内存的高性能键值存储数据库，能够在多种场景下提供高效的数据存储与查询。然而，作为内存数据库，Redis 的一个关键问题是内存的限制。当 Redis 存储的数据量达到或接近内存上限时，为了防止系统崩溃，Redis 提供了多种内存淘汰（Eviction）算法，以决定如何释放空间存储新的数据。本文将详细介绍 Redis 的内存淘汰机制、各种内存淘汰算法的工作原理及其应用场景。

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第一部分：Redis 内存管理概述

Redis 是一个基于内存运行的数据库，当所有数据都存储在内存中时，它能够提供极高的读写性能。然而，内存资源有限，尤其是在一些大规模数据处理的场景下，可能会出现内存耗尽的情况。因此，Redis 提供了内存淘汰机制，在内存不足时，自动释放旧数据以腾出空间存储新数据。

1.1 内存配置

在 Redis 配置文件中，开发者可以通过以下参数设置 Redis 的最大内存限制：

maxmemory <bytes>

例如：

maxmemory 2gb

当 Redis 达到设置的内存上限时，它会根据配置的内存淘汰策略决定如何处理新的数据请求。如果没有设置最大内存，Redis 将使用系统所有可用内存，直到系统因内存不足而崩溃。

1.2 内存淘汰机制触发

当 Redis 占用的内存达到 maxmemory 限制时，如果再有新的写操作请求，Redis 就会根据设定的淘汰策略，删除部分数据来释放内存。淘汰机制主要分为三种策略：

• 不做处理：返回错误，表示内存不足。
• 淘汰部分数据：根据特定算法选择部分数据进行删除，以腾出空间存储新数据。
• 全部淘汰：清空所有数据，重新开始存储。

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第二部分：Redis 的内存淘汰算法

Redis 提供了八种内存淘汰策略，分别适用于不同的场景和需求。通过 maxmemory-policy 参数可以设置 Redis 的内存淘汰策略。

maxmemory-policy <policy>

2.1 noeviction（默认策略）

原理：

• 当 Redis 达到最大内存限制时，拒绝所有写操作，返回错误，并继续接受读取操作。

适用场景：

• 适用于对数据一致性要求极高的场景，不允许自动删除任何数据。在这种场景下，内存耗尽后系统会停止接收新数据。

优缺点：

• 优点：确保数据不会被无意删除。
• 缺点：当达到内存上限时，所有写操作将被拒绝，可能导致应用程序异常。

2.2 allkeys-lru

原理：

• 在所有的键（包括没有过期时间的键）中，淘汰最近最少使用的键（LRU: Least Recently Used），即将最近没有被访问的数据淘汰掉。

适用场景：

• 适用于大多数情况下，既有缓存数据，也有持久性数据的场景。例如，缓存热点数据，使用 allkeys-lru 策略可以确保常用数据保存在内存中，而很少使用的键被淘汰。

优缺点：

• 优点：能够智能地淘汰最不常使用的数据，确保高频数据优先保存在内存中。
• 缺点：由于所有键都可以被淘汰，某些重要的键（即使没有过期时间）也可能被删除。

2.3 volatile-lru

原理：

• 仅在设置了过期时间的键中，淘汰最近最少使用的键。未设置过期时间的键不会被淘汰。

适用场景：

• 适合缓存场景下，缓存的数据具有生命周期，而业务数据则无需淘汰。在这种情况下，使用 volatile-lru 策略可以确保业务数据不被淘汰。

优缺点：

• 优点：能够保护持久性数据不被误删，只淘汰那些缓存数据。
• 缺点：如果大部分数据没有设置过期时间，Redis 内存压力仍然存在。

2.4 allkeys-random

原理：

• 在所有的键中随机淘汰某些键，释放内存。

适用场景：

• 适用于数据访问频率相对均匀的场景，或当 LRU 策略开销较大时可以选择此策略。

优缺点：

• 优点：实现简单，淘汰数据快速。
• 缺点：随机淘汰不具备智能化，可能导致重要数据被淘汰。

2.5 volatile-random

原理：

• 在设置了过期时间的键中，随机选择键进行淘汰。

适用场景：

• 适合缓存数据具有生命周期，且不需要根据访问频率淘汰的场景。

优缺点：

• 优点：保证业务数据不被删除。
• 缺点：随机淘汰不具备智能性，可能删除掉一些有用的缓存数据。

2.6 volatile-ttl

原理：

• 在设置了过期时间的键中，淘汰那些存活时间（TTL）最短的键。TTL 值越小，键越容易被淘汰。

适用场景：

• 适合那些存活时间有限的数据集。例如，某些键被认为很快会过期，可以优先淘汰，以减少对内存的压力。

优缺点：

• 优点：通过 TTL 使得快过期的数据优先被淘汰，合理优化内存。
• 缺点：未考虑数据的访问频率，可能导致高频数据被淘汰。

2.7 volatile-lfu

原理：

• 在设置了过期时间的键中，淘汰最近使用次数最少的键（LFU: Least Frequently Used）。也就是说，淘汰那些被访问次数最少的数据。

适用场景：

• 适用于缓存系统中，经常访问的数据应该长期驻留在内存中，而很少访问的缓存数据应被优先淘汰。

优缺点：

• 优点：能够更好地保存频繁访问的数据，确保缓存的有效性。
• 缺点：计算每个键的访问次数会带来额外的开销。

2.8 allkeys-lfu

原理：

• 在所有的键中，淘汰最近使用次数最少的键。无论是否设置过期时间，都会根据访问次数决定是否淘汰。

适用场景：

• 适用于数据访问模式较为复杂的场景，确保频繁访问的键不会被淘汰。

优缺点：

• 优点：能够更好地保持频繁使用的数据。
• 缺点：同样会带来一定的性能开销。

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第三部分：Redis 内存淘汰算法的工作原理

3.1 LRU（Least Recently Used）

LRU 算法的基本思想是淘汰那些最久未被使用的数据。Redis 采用一种近似 LRU 的算法，通过采样一部分键，找到其中最近最少使用的键进行淘汰。Redis 不会对整个键空间进行遍历，而是随机选择一部分键进行 LRU 计算，从而提高算法的性能。

# 启用 LRU 策略
maxmemory-policy allkeys-lru

3.2 LFU（Least Frequently Used）

LFU 算法淘汰那些使用频率最低的数据。每个键都会记录它的访问次数（通过对键的访问增加一个计数器），当内存达到上限时，Redis 会淘汰那些访问次数较少的键。Redis 的 LFU 实现使用了一个叫做 近似计数器 的机制，能够以较低的内存开销记录键的访问频率。

# 启用 LFU 策略
maxmemory-policy allkeys-lfu

3.3 TTL（Time to Live）

TTL 策略是根据键的剩余存活时间进行淘汰。对于设置了过期时间的键，TTL 策略会优先淘汰那些即将过期的键，以释放内存。这个策略适用于那些过期时间设置合理、存活时间能够反映数据重要性的场景。

# 启用 TTL 策略
maxmemory-policy volatile-ttl

3.4 Redis

内存淘汰过程

当 Redis 内存达到 maxmemory 限制时，Redis 将根据配置的淘汰策略，开始淘汰数据：

1. 采样淘汰：Redis 并不会遍历整个键空间进行淘汰，而是从键空间中随机选取一定数量的键进行采样，选择符合淘汰策略的键进行删除。采样的键数量取决于 Redis 配置文件中的 maxmemory-samples 参数。

   maxmemory-samples 5
   

2. 内存释放：在采样到的键中，找到符合淘汰策略的键进行删除，释放内存。

3. 继续操作：如果释放的内存仍然不足以满足新请求的需求，Redis 会继续执行淘汰操作，直到释放足够的内存或者达到系统允许的限制。

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第四部分：Redis 内存淘汰机制的实际应用

4.1 在缓存场景中的使用

Redis 的内存淘汰机制在缓存场景中非常常见。假设一个高并发的电商系统中需要缓存热门商品数据，使用 allkeys-lru 策略可以确保用户频繁访问的热门商品数据长时间保存在缓存中，而那些不再热销的商品数据则会被逐渐淘汰。

# 配置内存淘汰策略
maxmemory-policy allkeys-lru

4.2 数据集大小不可控的场景

在一些数据集大小难以预测的场景中（例如用户行为日志的缓存），开发者可以使用 volatile-lru 或 volatile-lfu 策略来淘汰那些已经设置了过期时间、且不再经常访问的数据。

4.3 防止 OOM 错误

如果 Redis 达到了内存上限且未配置淘汰策略，系统可能会报 OOM 错误。通过合理设置内存淘汰策略，可以避免这种错误的发生。

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第五部分：如何选择合适的内存淘汰策略

选择合适的内存淘汰策略取决于业务场景：

• 如果 Redis 主要用于缓存，且缓存的数据没有持久化需求，建议使用 allkeys-lru 或 volatile-lru，以确保常用数据的命中率。
• 如果 Redis 存储的数据有明确的过期时间，可以使用 volatile-ttl，这样 Redis 会优先淘汰即将过期的数据。
• 如果存储的数据访问频率有显著差异，可以考虑使用 allkeys-lfu 或 volatile-lfu，以保证高频访问的数据不会被轻易淘汰。

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结论

Redis 提供的内存淘汰机制能够在系统内存不足时，合理地释放部分内存，确保系统的稳定性和高效运行。通过选择合适的淘汰策略，开发者可以在不同的业务场景中充分发挥 Redis 的高性能优势。理解和合理配置 Redis 的内存淘汰机制，不仅能够提升系统的性能，还可以避免内存耗尽问题带来的系统崩溃风险。