本篇文章首要介绍了Redis的相关常识，文章首要介绍了Redis 的内存筛选战略和过期删去战略的差异，Redis 是能够对 key 设置过期时刻的，因而需求有相应的机制将已过期的键值对删去，而做这个工作的便是过期键值删去战略，下面一起来看一下，希望对咱们有帮助。

Redis的内存淘汰策略和过期删除策略的区别

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前语

Redis 是能够对 key 设置过期时刻的，因而需求有相应的机制将已过期的键值对删去，而做这个工作的便是过期键值删去战略。

Redis 的「内存筛选战略」和「过期删去战略」，许多小伙伴简单混淆，这两个机制尽管都是做删去的操作，可是触发的条件和运用的战略都是不同的。

今天就跟咱们理一理，「内存筛选战略」和「过期删去战略」。

Redis的内存淘汰策略和过期删除策略的区别

过期删去战略

Redis 是能够对 key 设置过期时刻的，因而需求有相应的机制将已过期的键值对删去，而做这个工作的便是过期键值删去战略。

怎么设置过期时刻？

先说一下对 key 设置过期时刻的指令。设置 key 过期时刻的指令一共有 4 个：

  • expire <key> <n>：设置 key 在 n 秒后过期，比方 expire key 100 标明设置 key 在 100 秒后过期；
  • pexpire <key> <n>：设置 key 在 n 毫秒后过期，比方 pexpire key2 100000 标明设置 key2 在 100000 毫秒（100 秒）后过期。
  • expireat <key> <n>：设置 key 在某个时刻戳（准确到秒）之后过期，比方 expireat key3 1655654400 标明 key3 在时刻戳 1655654400 后过期（准确到秒）；
  • pexpireat <key> <n>：设置 key 在某个时刻戳（准确到毫秒）之后过期，比方 pexpireat key4 1655654400000 标明 key4 在时刻戳 1655654400000 后过期（准确到毫秒）

当然，在设置字符串时，也能够一起对 key 设置过期时刻，共有 3 种指令：

  • set <key> <value> ex <n>：设置键值对的时分，一起指定过期时刻（准确到秒）；
  • set <key> <value> px <n>：设置键值对的时分，一起指定过期时刻（准确到毫秒）；
  • setex <key> <n> <valule> ：设置键值对的时分，一起指定过期时刻（准确到秒）。

假如你想查看某个 key 剩下的存活时刻，能够运用TTL <key>指令。 

# 设置键值对的时分，一起指定过期时刻位 60 秒
> setex key1 60 value1
OK
# 查看 key1 过期时刻还剩多少
> ttl key1
(integer) 56
> ttl key1
(integer) 52

假如突然反悔，撤销 key 的过期时刻，则能够运用PERSIST <key>指令。 

# 撤销 key1 的过期时刻
> persist key1
(integer) 1

运用完 persist 指令之后，


查下 key1 的存活时刻结果是 -1，标明 key1 永不过期


> ttl key1
(integer) -1

怎么判定 key 已过期了？

每逢咱们对一个 key 设置了过期时刻时，Redis 会把该 key 带上过期时刻存储到一个过期字典（expires dict）中，也便是说「过期字典」保存了数据库中一切 key 的过期时刻。

过期字典存储在 redisDb 结构中，如下： 

typedef struct redisDb {
dict *dict;    /* 数据库键空间，寄存着一切的键值对 */
dict *expires; /* 键的过期时刻 */
....
} redisDb;

过期字典数据结构结构如下：

  • 过期字典的 key 是一个指针，指向某个键目标；
  • 过期字典的 value 是一个 long long 类型的整数，这个整数保存了 key 的过期时刻；

过期字典的数据结构如下图所示：

Redis的内存淘汰策略和过期删除策略的区别

字典实践上是哈希表，哈希表的最大好处便是让咱们能够用 O(1) 的时刻复杂度来快速查找。当咱们查询一个 key 时，Redis 首先查看该 key 是否存在于过期字典中：

  • 假如不在，则正常读取键值；
  • 假如存在，则会获取该 key 的过期时刻，然后与当时体系时刻进行比对，假如比体系时刻大，那就没有过期，不然判定该 key 已过期。

过期键判别流程如下图所示：

Redis的内存淘汰策略和过期删除策略的区别

过期删去战略有哪些？

在说 Redis 过期删去战略之前，先跟咱们介绍下，常见的三种过期删去战略：

  • 守时删去；
  • 慵懒删去；
  • 守时删去；

接下来，分别剖析它们的优缺陷。

守时删去战略是怎样样的？

守时删去战略的做法是，在设置 key 的过期时刻时，一起创建一个守时事情，当时刻到达时，由事情处理器自动履行 key 的删去操作。

守时删去战略的长处：能够确保过期 key 会被赶快删去，也便是内存能够被赶快地开释。因而，守时删去对内存是最友爱的。

守时删去战略的缺陷：在过期 key 比较多的情况下，删去过期 key 可能会占用相当一部分 CPU 时刻，在内存不严重但 CPU 时刻严重的情况下，将 CPU 时刻用于删去和当时任务无关的过期键上，无疑会对服务器的呼应时刻和吞吐量形成影响。所以，守时删去战略对 CPU 不友爱。

慵懒删去战略是怎样样的？慵懒删去战略的做法是，不自动删去过期键，每次从数据库拜访 key 时，都检测 key 是否过期，假如过期则删去该 key。

慵懒删去战略的长处：由于每次拜访时，才会查看 key 是否过期，所以此战略只会运用很少的体系资源，因而，慵懒删去战略对 CPU 时刻最友爱。

慵懒删去战略的缺陷：假如一个 key 现已过期，而这个 key 又依然保留在数据库中，那么只要这个过期 key 一向没有被拜访，它所占用的内存就不会开释，形成了必定的内存空间糟蹋。所以，慵懒删去战略对内存不友爱。

守时删去战略是怎样样的？守时删去战略的做法是，每隔一段时刻「随机」从数据库中取出必定数量的 key 进行查看，并删去其间的过期key。

守时删去战略的长处：经过约束删去操作履行的时长和频率，来减少删去操作对 CPU 的影响，一起也能删去一部分过期的数据减少了过期键对空间的无效占用。

守时删去战略的缺陷：

  • 内存清理方面没有守时删去效果好，一起没有慵懒删去运用的体系资源少。
  • 难以确定删去操作履行的时长和频率。假如履行的太频频，守时删去战略变得和守时删去战略相同，对CPU不友爱；假如履行的太少，那又和慵懒删去相同了，过期 key 占用的内存不会及时得到开释。

Redis 过期删去战略是什么？

前面介绍了三种过期删去战略，每一种都有优缺陷，仅运用某一个战略都不能满意实践需求。

所以，Redis 挑选「慵懒删去+守时删去」这两种战略配和运用，以求在合理运用 CPU 时刻和避免内存糟蹋之间取得平衡。

Redis 是怎样完成慵懒删去的？

Redis 的慵懒删去战略由 db.c 文件中的expireIfNeeded函数完成，代码如下： 

int expireIfNeeded(redisDb *db, robj *key) {
// 判别 key 是否过期
if (!keyIsExpired(db,key)) return 0;
....
/* 删去过期键 */
....
// 假如 server.lazyfree_lazy_expire 为 1 标明异步删去，反之同步删去；
return server.lazyfree_lazy_expire ? dbAsyncDelete(db,key) :
dbSyncDelete(db,key);
}

Redis 在拜访或者修正 key 之前，都会调用 expireIfNeeded 函数对其进行查看，查看 key 是否过期：

  • 假如过期，则删去该 key，至于挑选异步删去，还是挑选同步删去，依据lazyfree_lazy_expire参数装备决定（Redis 4.0版别开端供给参数），然后回来 null 给客服端；
  • 假如没有过期，不做任何处理，然后回来正常的键值对给客户端；

慵懒删去的流程图如下：

Redis的内存淘汰策略和过期删除策略的区别

Redis 是怎样完成守时删去的？

再回忆一下，守时删去战略的做法：每隔一段时刻「随机」从数据库中取出必定数量的 key 进行查看，并删去其间的过期key。

1.这个间隔查看的时刻是多长呢？

在 Redis 中，默许每秒进行 10 次过期查看一次数据库，此装备可经过 Redis 的装备文件 redis.conf 进行装备，装备键为 hz 它的默许值是 hz 10。

特别强调下，每次查看数据库并不是遍历过期字典中的一切 key，而是从数据库中随机抽取必定数量的 key 进行过期查看。

2.随机查看的数量是多少呢？

我查了下源码，守时删去的完成在 expire.c 文件下的activeExpireCycle函数中，其间随机查看的数量由ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_LOOKUPS_PER_LOOP界说的，它是写死在代码中的，数值是 20。

也便是说，数据库每轮查看时，会随机挑选 20 个 key 判别是否过期。

接下来，详细说说 Redis 的守时删去的流程：

  • 从过期字典中随机抽取 20 个 key；
  • 查看这 20 个 key 是否过期，并删去已过期的 key；
  • 假如本轮查看的已过期 key 的数量，超越 5 个（20/4），也便是「已过期 key 的数量」占比「随机抽取 key 的数量」大于 25%，则持续重复步骤 1；假如已过期的 key 比例小于 25%，则停止持续删去过期 key，然后等待下一轮再查看。

能够看到，守时删去是一个循环的流程。

那 Redis 为了确保守时删去不会出现循环过度，导致线程卡死现象，为此添加了守时删去循环流程的时刻上限，默许不会超越 25ms。

针对守时删去的流程，我写了个伪代码： 

do {
//已过期的数量
expired = 0；
//随机抽取的数量
num = 20;
while (num--) {
//1. 从过期字典中随机抽取 1 个 key
//2. 判别该 key 是否过期，假如已过期则进行删去，一起对 expired++
}

// 超越时刻约束则退出
if (timelimit_exit) return;



/* 假如本轮查看的已过期 key 的数量，超越 25%，则持续随机查看，不然退出本轮查看 */
} while (expired > 20/4);

守时删去的流程如下：

Redis的内存淘汰策略和过期删除策略的区别

内存筛选战略

前面说的过期删去战略，是删去已过期的 key，而当 Redis 的运转内存现已超越 Redis 设置的最大内存之后，则会运用内存筛选战略删去符合条件的 key，以此来保障 Redis 高效的运转。

怎么设置 Redis 最大运转内存？

在装备文件 redis.conf 中，能够经过参数maxmemory <bytes>来设定最大运转内存，只有在 Redis 的运转内存达到了咱们设置的最大运转内存，才会触发内存筛选战略。

不同位数的操作体系，maxmemory 的默许值是不同的：

  • 在 64 位操作体系中，maxmemory 的默许值是 0，标明没有内存大小约束，那么不论用户寄存多少数据到 Redis 中，Redis 也不会对可用内存进行查看，直到 Redis 实例因内存不足而崩溃也无作为。
  • 在 32 位操作体系中，maxmemory 的默许值是 3G，由于 32 位的机器最大只支撑 4GB 的内存，而体系本身就需求必定的内存资源来支撑运转，所以 32 位操作体系约束最大 3 GB 的可用内存是十分合理的，这样能够避免由于内存不足而导致 Redis 实例崩溃。

Redis 内存筛选战略有哪些？

Redis 内存筛选战略共有八种，这八种战略大体分为「不进行数据筛选」和「进行数据筛选」两类战略。

1.不进行数据筛选的战略

noeviction（Redis3.0之后，默许的内存筛选战略） ：它标明当运转内存超越最大设置内存时，不筛选任何数据，而是不再供给服务，直接回来错误。

2.进行数据筛选的战略

针对「进行数据筛选」这一类战略，又能够细分为「在设置了过期时刻的数据中进行筛选」和「在一切数据范围内进行筛选」这两类战略。

在设置了过期时刻的数据中进行筛选：

  • volatile-random：随机筛选设置了过期时刻的恣意键值；
  • volatile-ttl：优先筛选更早过期的键值。
  • volatile-lru（Redis3.0 之前，默许的内存筛选战略）：筛选一切设置了过期时刻的键值中，最久未运用的键值；
  • volatile-lfu（Redis 4.0 后新增的内存筛选战略）：筛选一切设置了过期时刻的键值中，最少运用的键值；

在一切数据范围内进行筛选：

  • allkeys-random：随机筛选恣意键值;
  • allkeys-lru：筛选整个键值中最久未运用的键值；
  • allkeys-lfu（Redis 4.0 后新增的内存筛选战略）：筛选整个键值中最少运用的键值。

怎么查看当时 Redis 运用的内存筛选战略？

能够运用config get maxmemory-policy指令，来查看当时 Redis 的内存筛选战略，指令如下： 

127.0.0.1:6379> config get maxmemory-policy
1) "maxmemory-policy"
2) "noeviction"

能够看出，当时 Redis 运用的是noeviction类型的内存筛选战略，它是 Redis 3.0 之后默许运用的内存筛选战略，标明当运转内存超越最大设置内存时，不筛选任何数据，但新增操作会报错。

怎么修正 Redis 内存筛选战略？

设置内存筛选战略有两种办法：

  • 方法一：经过“config set maxmemory-policy <战略>”指令设置。它的长处是设置之后当即生效，不需求重启 Redis 服务，缺陷是重启 Redis 之后，设置就会失效。
  • 方法二：经过修正 Redis 装备文件修正，设置“maxmemory-policy <战略>”，它的长处是重启 Redis 服务后装备不会丢失，缺陷是必须重启 Redis 服务，设置才能生效。

LRU 算法和 LFU 算法有什么差异？

LFU 内存筛选算法是 Redis 4.0 之后新增内存筛选战略，那为什么要新增这个算法？那肯定是为了解决 LRU 算法的问题。

接下来，就看看这两个算法有什么差异？Redis 又是怎么完成这两个算法的？

什么是 LRU 算法？

LRU全称是 Least Recently Used 翻译为最近最少运用，会挑选筛选最近最少运用的数据。

传统 LRU 算法的完成是依据「链表」结构，链表中的元素依照操作顺序早年往后排列，最新操作的键会被移动到表头，当需求内存筛选时，只需求删去链表尾部的元素即可，由于链表尾部的元素就代表最久未被运用的元素。

Redis 并没有运用这样的方法完成 LRU 算法，由于传统的 LRU 算法存在两个问题：

  • 需求用链表管理一切的缓存数据，这会带来额定的空间开支；
  • 当有数据被拜访时，需求在链表上把该数据移动到头端，假如有许多数据被拜访，就会带来许多链表移动操作，会很耗时，进而会下降 Redis 缓存功能。

Redis 是怎么完成 LRU 算法的？

Redis 完成的是一种近似 LRU 算法，目的是为了更好的节省内存，它的完成方法是在 Redis 的目标结构体中添加一个额定的字段，用于记载此数据的最终一次拜访时刻。

当 Redis 进行内存筛选时，会运用随机采样的方法来筛选数据，它是随机取 5 个值（此值可装备），然后筛选最久没有运用的那个。

Redis 完成的 LRU 算法的长处：

  • 不用为一切的数据保护一个大链表，节省了空间占用；
  • 不用在每次数据拜访时都移动链表项，提升了缓存的功能；

可是 LRU 算法有一个问题，无法解决缓存污染问题，比方应用一次读取了许多的数据，而这些数据只会被读取这一次，那么这些数据会留存在 Redis 缓存中很长一段时刻，形成缓存污染。

因而，在 Redis 4.0 之后引入了 LFU 算法来解决这个问题。

什么是 LFU 算法？

LFU 全称是 Least Frequently Used 翻译为最近最不常用的，LFU 算法是依据数据拜访次数来筛选数据的，它的核心思维是“假如数据曩昔被拜访屡次，那么将来被拜访的频率也更高”。

所以， LFU 算法会记载每个数据的拜访次数。当一个数据被再次拜访时，就会添加该数据的拜访次数。这样就解决了偶然被拜访一次之后，数据留存在缓存中很长一段时刻的问题，比较于 LRU 算法也更合理一些。

Redis 是怎么完成 LFU 算法的？

LFU 算法比较于 LRU 算法的完成，多记载了「数据的拜访频次」的信息。Redis 目标的结构如下： 

typedef struct redisObject {
...

// 24 bits，用于记载目标的拜访信息
unsigned lru:24;
...



} robj;

Redis 目标头中的 lru 字段，在 LRU 算法下和 LFU 算法下运用方法并不相同。

在 LRU 算法中，Redis 目标头的 24 bits 的 lru 字段是用来记载 key 的拜访时刻戳，因而在 LRU 形式下，Redis能够依据目标头中的 lru 字段记载的值，来比较最终一次 key 的拜访时刻长，从而筛选最久未被运用的 key。

在 LFU 算法中，Redis目标头的 24 bits 的 lru 字段被分成两段来存储，高 16bit 存储 ldt(Last Decrement Time)，低 8bit 存储 logc(Logistic Counter)。

Redis的内存淘汰策略和过期删除策略的区别

  • ldt 是用来记载 key 的拜访时刻戳；
  • logc 是用来记载 key 的拜访频次，它的值越小标明运用频率越低，越简单筛选，每个新参加的 key 的logc 初始值为 5。

留意，logc 并不是单纯的拜访次数，而是拜访频次（拜访频率），由于logc 会随时刻推移而衰减的。

在每次 key 被拜访时，会先对 logc 做一个衰减操作，衰减的值跟前后拜访时刻的间隔有联系，假如上一次拜访的时刻与这一次拜访的时刻间隔很大，那么衰减的值就越大，这样完成的 LFU 算法是依据拜访频率来筛选数据的，而不只是拜访次数。拜访频率需求考虑 key 的拜访是多长时刻段内产生的。key 的从前拜访间隔当时时刻越长，那么这个 key 的拜访频率相应地也就会下降，这样被筛选的概率也会更大。

对 logc 做完衰减操作后，就开端对 logc 进行添加操作，添加操作并不是单纯直接+ 1，而是依据概率添加，假如 logc 越大的 key，它的 logc 就越难再添加。

所以，Redis 在拜访 key 时，对于 logc 是这样改变的：

  • 先依照前次拜访间隔当时的时长，来对 logc 进行衰减；
  • 然后，再依照必定概率添加 logc 的值

redis.conf 供给了两个装备项，用于调整 LFU 算法从而控制 logc 的增长和衰减：

  • lfu-decay-time用于调整 logc 的衰减速度，它是一个以分钟为单位的数值，默许值为1，lfu-decay-time 值越大，衰减越慢；
  • lfu-log-factor用于调整 logc 的增长速度，lfu-log-factor 值越大，logc 增长越慢。

总结

Redis 运用的过期删去战略是「慵懒删去+守时删去」，删去的目标是已过期的 key。

Redis的内存淘汰策略和过期删除策略的区别

内存筛选战略是解决内存过大的问题，当 Redis 的运转内存超越最大运转内存时，就会触发内存筛选战略，Redis 4.0 之后共完成了 8 种内存筛选战略，我也对这 8 种的战略进行分类，如下：

Redis的内存淘汰策略和过期删除策略的区别

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