【Redis教程0x08】详解Redis过期删除策略内存淘汰策略

本文主要是介绍【Redis教程0x08】详解Redis过期删除策略内存淘汰策略，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

引言

Redis的过期删除策略和内存淘汰策略是经常被问道的问题，这两个机制都是做删除操作，但是触发的条件和使用的策略是不同的。今天就来深入理解一下这两个策略。

过期删除策略

Redis 是可以对 key 设置过期时间的，因此需要有相应的机制将已过期的键值对删除，而做这个工作的就是过期键值删除策略。

如何设置过期时间？

Redis中，设置key过期时间的命令一共有4个：

• expire <key> <n>：设置key在n秒后过期。
• pexpire <key> <n>：设置key在n毫秒后过期。
• expireat <key> <n>：设置key在某个时间戳（精确到秒）之后过期。
• pexpireat <key> <n>：设置key在某个时间戳（精确到毫秒）之后过期。

当然，在设置字符串时，也可以同时对key设置过期时间，共有3种命令：

• set <key> <value> ex <n>：设置键值对的时候，同时指定过期时间（精确到秒）；
• set <key> <value> px <n>：设置键值对的时候，同时指定过期时间（精确到毫秒）；
• setex <key> <n> <value>：设置键值对的时候，同时指定过期时间（精确到秒）；

要想查看某个key剩余的存活时间，可以使用命令TTL <key>：

# 设置键值对时，指定过期时间为60s
> set name iq50 ex 60
OK# 查看过期时间
> ttl name
(integer) 56
> ttl name
(integer) 50# 可以通过PERSIST <key>命令取消过期时间
> persist name
(integer) 1# -1表示永不过期
> ttl name
(integer) -1

如何判定key已过期了？

每当我们对一个 key 设置了过期时间时，Redis 会把该 key 带上过期时间存储到一个**过期字典（expires dict）**中，也就是说「过期字典」保存了数据库中所有 key 的过期时间。
过期字典存储在 redisDb 结构中，如下：

typedef struct redisDb {dict *dict;    /* 数据库键空间，存放着所有的键值对 */dict *expires; /* 过期字典：存储键的过期时间 */....
} redisDb;

过期字典数据结构结构如下：

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

过期字典数据结构如下图所示：

字典实际上是哈希表，哈希表的最大好处就是让我们可以用 O(1) 的时间复杂度来快速查找。当我们查询一个 key 时，Redis 首先检查该 key 是否存在于过期字典中：

• 如果不在，则正常读取键值；
• 如果存在，则会获取该 key 的过期时间，然后与当前系统时间进行比对，如果比系统时间大，那就没有过期，否则判定该 key 已过期。

常见的3种过期删除策略

在介绍Redis的过期删除策略之前，来看一下常见的3种过期删除策略：

• 定时删除；
• 惰性删除；
• 定期删除；

接下来一张表分析一下各自的优缺点：

删除策略	描述	优点	缺点
定时删除	在设置key过期时间时，同时创建一个定时事件。当时间到达时，由事件处理器自动执行key的删除操作。	对内存友好。可以保证过期key会被尽快删除，去释放内存。	对CPU不友好。在过期key较多的情况下，会占用相当一部分CPU时间，这会对服务器的响应时间和吞吐量造成影响。
惰性删除	不主动删除过期键，每次从数据库访问key时，都检测key是否过期，过期则删除该key。	对CPU友好。只有每次访问时，才检查key，所以只会使用很少的系统资源。	对内存不友好。如果一个key已经过期，但是我们一直没有去访问，它占用的内存空间就一直得不到释放。
定期删除	每隔一段时间随机从数据库中取出一定数量的key进行检查，并删除其中的过期key。	限制删除操作的执行时长和频率，减少对CPU的影响，也能删除过期数据减少对内存的无效占用。	1.内存清理方面没有定时删除好也没有惰性删除使用的系统资源少。2.难以确定删除操作执行的时长和频率。

Redis的过期删除策略

基于我们上面介绍的3种过期删除策略，Redis选择了**"惰性删除+定期删除"两种策略配合使用**，以求在合理使用CPU时间和避免内存浪费之间取得平衡。
Question1：Redis是怎么实现惰性删除的呢？
Redis的惰性删除由 db.c 文件中的 expireIfNeeded 函数实现，代码如下：

int expireIfNeeded(redisDb *db, robj *key) {// 判断 key 是否过期if (!keyIsExpired(db,key)) return 0;..../* 删除过期键 */....// 如果 server.lazyfree_lazy_expire 为 1 表示异步删除，反之同步删除；return server.lazyfree_lazy_expire ? dbAsyncDelete(db,key) :dbSyncDelete(db,key);
}

Redis 在访问或者修改 key 之前，都会调用 expireIfNeeded 函数对其进行检查，检查 key 是否过期：

• 如果过期，则删除该 key，至于选择异步删除，还是选择同步删除，根据 lazyfree_lazy_expire 参数配置决定（Redis 4.0版本开始提供参数），然后返回 null 客户端；
• 如果没有过期，不做任何处理，然后返回正常的键值对给客户端；

Question2：Redis是怎么实现定期删除的呢？
再回忆一下，定期删除策略的做法：每隔一段时间「随机」从数据库中取出一定数量的 key 进行检查，并删除其中的过期key。
**间隔时间多长？**在 Redis 中，默认每秒进行 10 次过期检查（相当于每100ms一次），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。
**随机抽查的数量多少？**随机抽查的数量由 ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_LOOKUPS_PER_LOOP 定义的，它是写死在代码中的，数值是 20。
接下来看一下定期删除的流程：

1. 从过期字典中随机抽取 20 个 key；
2. 检查这 20 个 key 是否过期，并删除已过期的 key；
3. 如果本轮检查的已过期 key 的数量，超过 5 个，也就是「已过期 key 的数量」占比「随机抽取 key 的数量」大于 25%，则继续重复步骤 1；如果已过期的 key 比例小于 25%，则停止继续删除过期 key，然后等待下一轮再检查。

由此可见，定期删除是一个循环的流程。

内存淘汰策略

之前我们介绍的是Redis的过期删除策略，是删除已过期的key，而当Redis的运行内存已经超过Redis设置的最大内存之后，则会使用内存淘汰策略删除符合条件的key，以此保证Redis的高效运行。

如何设置Redis最大运行内存？

在配置文件 redis.conf 中，可以通过参数 maxmemory <bytes> 来设定最大运行内存，只有在 Redis 的运行内存达到了我们设置的最大运行内存，才会触发内存淘汰策略。 不同位数的操作系统，maxmemory 的默认值是不同的：

• 在 64 位操作系统中，maxmemory 的默认值是 0，表示没有内存大小限制，那么不管用户存放多少数据到 Redis 中，Redis 也不会对可用内存进行检查，直到 Redis 实例因内存不足而崩溃也无作为。
• 在 32 位操作系统中，maxmemory 的默认值是 3G，因为 32 位的机器最大只支持 4GB 的内存，而系统本身就需要一定的内存资源来支持运行，所以 32 位操作系统限制最大 3 GB 的可用内存是非常合理的，这样可以避免因为内存不足而导致 Redis 实例崩溃

Redis内存淘汰策略有哪些？

Redis 内存淘汰策略共有八种，这八种策略大体分为「不进行数据淘汰」和「进行数据淘汰」两类策略。
1、不进行数据淘汰的策略
noeviction（Redis3.0之后，默认的内存淘汰策略） ：它表示当运行内存超过最大设置内存时，不淘汰任何数据，这时如果有新的数据写入，会报错通知禁止写入，不淘汰任何数据，但是如果没用数据写入的话，只是单纯的查询或者删除操作的话，还是可以正常工作。
2、进行数据淘汰的策略
针对「进行数据淘汰」这一类策略，又可以细分为「在设置了过期时间的数据中进行淘汰」和「在所有数据范围内进行淘汰」这两类策略。
在设置了过期时间的数据中进行淘汰：

• volatile-random：随机淘汰设置了过期时间的任意键值；
• volatile-ttl：优先淘汰更早过期的键值。
• volatile-lru（Redis3.0 之前，默认的内存淘汰策略）：淘汰所有设置了过期时间的键值中，最久未使用的键值；
• volatile-lfu（Redis 4.0 后新增的内存淘汰策略）：淘汰所有设置了过期时间的键值中，最少使用的键值；

在所有数据范围内进行淘汰：

• allkeys-random：随机淘汰任意键值;
• allkeys-lru：淘汰整个键值中最久未使用的键值；
• allkeys-lfu（Redis 4.0 后新增的内存淘汰策略）：淘汰整个键值中最少使用的键值。

我们可以通过命令查看当前Redis使用的内存淘汰策略：

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

可以看出，当前 Redis 使用的是 noeviction 类型的内存淘汰策略，它是 Redis 3.0 之后默认使用的内存淘汰策略，表示当运行内存超过最大设置内存时，不淘汰任何数据，但新增操作会报错。
怎么修改内存淘汰策略？
有两种方式可选：

1. 通过config set maxmemory-policy <策略>命令设置。它的优点是设置之后立即生效，不需要重启 Redis 服务，缺点是重启 Redis 之后，设置就会失效。
2. 通过修改 Redis 配置文件修改，设置“maxmemory-policy <策略>”，它的优点是重启 Redis 服务后配置不会丢失，缺点是必须重启 Redis 服务，设置才能生效。

总结

Redis 使用的过期删除策略是「惰性删除+定期删除」，删除的对象是已过期的 key。

内存淘汰策略是解决内存过大的问题，当 Redis 的运行内存超过最大运行内存时，就会触发内存淘汰策略，Redis 4.0 之后共实现了 8 种内存淘汰策略，我也对这 8 种的策略进行分类，如下：

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