1. 过期删除策略和内存淘汰策略
- 1.1 过期删除
- 1.2 内存淘汰策略

1. 过期删除策略和内存淘汰策略⚓

1.1 过期删除⚓

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。

1.1.1 如何判定 key 已过期了⚓

Redis 有一个过期字典（expires dict），里面保存了所有 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; /* 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

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。

1.1.2 常见的过期删除策略⚓

先看下常见的三种过期删除策略：

定时删除；
惰性删除；
定期删除；

定时删除策略

在设置 key 的过期时间时，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。

优点：

可以保证过期 key 会被尽快删除，也就是内存可以被尽快地释放。因此，定时删除对内存是最友好的。

缺点：

在过期 key 比较多的情况下，删除过期 key 可能会占用相当一部分 CPU 时间，在内存不紧张但 CPU 时间紧张的情况下，将 CPU 时间用于删除和当前任务无关的过期键上，无疑会对服务器的响应时间和吞吐量造成影响。所以，定时删除策略对 CPU 不友好。

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，如果过期则删除该 key。

优点：

因为每次访问时，才会检查 key 是否过期，所以此策略只会使用很少的系统资源，因此，惰性删除策略对 CPU 时间最友好。

缺点：

如果一个 key 已经过期，而这个 key 又仍然保留在数据库中，那么只要这个过期 key 一直没有被访问，它所占用的内存就不会释放，造成了一定的内存空间浪费。所以，惰性删除策略对内存不友好。

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。

优点：

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 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。
难以确定删除操作执行的时长和频率。如果执行的太频繁，定期删除策略变得和定时删除策略一样，对 CPU 不友好；如果执行的太少，那又和惰性删除一样了，过期 key 占用的内存不会及时得到释放。

1.1.3 Redis 过期删除策略⚓

Redis 选择 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。

1.1.3.1 惰性删除⚓

Redis 的惰性删除策略由 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);
}

惰性删除流程：

惰性删除

1.1.3.2 定期删除⚓

检查的时间间隔

默认每秒进行 10 次过期检查一次数据库，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

定期删除的实现在 expire.c 文件下的 activeExpireCycle 函数中，其中随机抽查的数量由 ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_LOOKUPS_PER_LOOP 定义的，它是写死在代码中的，数值是 20。

定期删除的流程：

从过期字典中随机抽取 20 个 key；
检查这 20 个 key 是否过期，并删除已过期的 key；
如果本轮检查的已过期 key 的数量，超过 5 个（20/4），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。
同时，Redis 为了保证定期删除不会出现循环过度，导致线程卡死现象，为此增加了定期删除循环流程的时间上限，默认不会超过 25ms。

定时删除流程

1.1.4 持久化时，对过期键会如何处理⚓

Redis 持久化文件有两种格式：RDB（Redis Database）和 AOF（Append Only File）。

RDB 文件分为两个阶段：

RDB 文件生成阶段：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。
RDB 加载阶段：RDB 加载阶段时，要看服务器是主服务器还是从服务器，分别对应以下两种情况：
- 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 文件也分为两个阶段：

AOF 文件写入阶段：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。
AOF 重写阶段：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。

1.1.5 主从模式中，对过期键会如何处理⚓

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。

1.2 内存淘汰策略⚓

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，以此来保障 Redis 高效的运行。

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。

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。

1.2.1 内存淘汰策略⚓

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。

不进行数据淘汰：

noeviction ：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，则会触发 OOM，但是如果没有数据写入的话，只是单纯的查询或者删除操作的话，还是可以正常工作。（Redis3.0 之后，默认的内存淘汰策略）

进行数据淘汰：

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。

查看当前 Redis 的内存淘汰策略:

> config get maxmemory-policy
1) "maxmemory-policy"
2) "noeviction"

设置内存淘汰策略有两种方法：

方式一：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。
方式二：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。

1.2.2 LRU 算法⚓

LRU 全称是 Least Recently Used 翻译为最近最少使用，会选择淘汰最近最少使用的数据。

Redis 并没有使用链表方式实现 LRU 算法，因为传统的 LRU 算法存在两个问题：

需要用链表管理所有的缓存数据，这会带来额外的空间开销；
当有数据被访问时，需要在链表上把该数据移动到头端，如果有大量数据被访问，就会带来很多链表移动操作，会很耗时，进而会降低 Redis 缓存性能。

Redis 实现的是一种近似 LRU 算法，目的是为了更好的节约内存，它的实现方式是在 Redis 的对象结构体中添加一个额外的字段，用于记录此数据的最后一次访问时间。

当 Redis 进行内存淘汰时，会使用随机采样的方式来淘汰数据，它是随机取 5 个值（此值可配置），然后淘汰最久没有使用的那个。

Redis 实现的 LRU 算法的优点：

不用为所有的数据维护一个大链表，节省了空间占用；
不用在每次数据访问时都移动链表项，提升了缓存的性能；

但是 LRU 算法有一个问题，无法解决缓存污染问题，比如应用一次读取了大量的数据，而这些数据只会被读取这一次，那么这些数据会留存在 Redis 缓存中很长一段时间，造成缓存污染。

因此，在 Redis 4.0 之后引入了 LFU 算法来解决这个问题。

1.2.3 LFU 算法⚓

LFU 全称是 Least Frequently Used 翻译为最近最不常用，LFU 算法是根据数据访问次数来淘汰数据的。

LFU 算法相比于 LRU 算法的实现，多记录了数据的访问频次的信息。Redis 对象的结构如下：

typedef struct redisObject {
    ...

    // 24 bits，用于记录对象的访问信息
    unsigned lru:LRU_BITS;  
    ...
} robj;

其中的 lru 字段，在 LRU 算法下和 LFU 算法下使用方式并不相同。

在 LRU 算法中，Redis 对象头的 24 bits 的 lru 字段是用来记录 key 的访问时间戳。
在 LFU 算法中，Redis 对象头的 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)。
- ldt 是用来记录 key 的访问时间戳；
- logc 是用来记录 key 的访问频率，它的值越小表示使用频率越低，越容易淘汰，每个新加入的 key 的 logc 初始值为 5。

注意，logc 并不是单纯的访问次数，而是访问频次（访问频率），因为 logc 会随时间推移而衰减的。

Redis 在访问 key 时，对于 logc 是这样变化的：

先按照上次访问距离当前的时长，来对 logc 进行衰减；衰减的值跟前后访问时间的差距有关系，如果上一次访问的时间与这一次访问的时间差距很大，那么衰减的值就越大，这样实现的 LFU 算法是根据访问频率来淘汰数据的，而不只是访问次数。
然后，再按照一定概率增加 logc 的值。增加操作并不是单纯的 + 1，而是根据概率增加，如果 logc 越大的 key，它的 logc 就越难再增加。

redis.conf 提供了两个配置项，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，默认值为 1，值越大，衰减越慢；
lfu-log-factor 用于调整 logc 的增长速度，默认值为 10，值越大，logc 增长越慢。