20期PHP线上班
首页 >数据库 >Redis > 正文

Redis的内存淘汰策略和过期删除策略的区别

转载2022-08-01 15:12:34870 关注公众号:每天精选资源文章推送

推荐学习:Redis视频教程

前言

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。

Redis 的「内存淘汰策略」和「过期删除策略」,很多小伙伴容易混淆,这两个机制虽然都是做删除的操作,但是触发的条件和使用的策略都是不同的。

今天就跟大家理一理,「内存淘汰策略」和「过期删除策略」。


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?

先说一下对 key 设置过期时间的命令。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,比如 expire key 100 表示设置 key 在 100 秒后过期;
  • pexpire <key> <n>:设置 key 在 n 毫秒后过期,比如 pexpire key2 100000 表示设置 key2 在 100000 毫秒(100 秒)后过期。
  • expireat <key> <n>:设置 key 在某个时间戳(精确到秒)之后过期,比如 expireat key3 1655654400 表示 key3 在时间戳 1655654400 后过期(精确到秒);
  • pexpireat <key> <n>:设置 key 在某个时间戳(精确到毫秒)之后过期,比如 pexpireat key4 1655654400000 表示 key4 在时间戳 1655654400000 后过期(精确到毫秒)

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> <valule> :设置键值对的时候,同时指定过期时间(精确到秒)。

如果你想查看某个 key 剩余的存活时间,可以使用 TTL <key> 命令。

# 设置键值对的时候,同时指定过期时间位 60 秒
> setex key1 60 value1
OK
# 查看 key1 过期时间还剩多少
> ttl key1
(integer) 56
> ttl key1
(integer) 52

如果突然反悔,取消 key 的过期时间,则可以使用 PERSIST <key> 命令。

# 取消 key1 的过期时间
> persist key1
(integer) 1

# 使用完 persist 命令之后,
# 查下 key1 的存活时间结果是 -1,表明 key1 永不过期 
> ttl key1 
(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; /* 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;

过期字典的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。

过期键判断流程如下图所示:


过期删除策略有哪些?

在说 Redis 过期删除策略之前,先跟大家介绍下,常见的三种过期删除策略:

  • 定时删除;
  • 惰性删除;
  • 定期删除;

接下来,分别分析它们的优缺点。

定时删除策略是怎么样的?

定时删除策略的做法是,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。

定时删除策略的优点: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。

定时删除策略的缺点: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。

惰性删除策略是怎么样的?惰性删除策略的做法是,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。

惰性删除策略的优点: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。

惰性删除策略的缺点: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。

定期删除策略是怎么样的?定期删除策略的做法是,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。

定期删除策略的优点: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。

定期删除策略的缺点:

  • 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。

Redis 过期删除策略是什么?

前面介绍了三种过期删除策略,每一种都有优缺点,仅使用某一个策略都不能满足实际需求。

所以, Redis 选择「惰性删除+定期删除」这两种策略配和使用,以求在合理使用 CPU 时间和避免内存浪费之间取得平衡。

Redis 是怎么实现惰性删除的?

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);
}

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 给客服端;
  • 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;

惰性删除的流程图如下:

Redis 是怎么实现定期删除的?

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。

1.这个间隔检查的时间是多长呢?

在 Redis 中,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。

特别强调下,每次检查数据库并不是遍历过期字典中的所有 key,而是从数据库中随机抽取一定数量的 key 进行过期检查。

2.随机抽查的数量是多少呢?

我查了下源码,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。

也就是说,数据库每轮抽查时,会随机选择 20 个 key 判断是否过期。

接下来,详细说说 Redis 的定时删除的流程:

  • 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。

可以看到,定时删除是一个循环的流程。

那 Redis 为了保证定时删除不会出现循环过度,导致线程卡死现象,为此增加了定时删除循环流程的时间上限,默认不会超过 25ms。

针对定时删除的流程,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. 判断该 key 是否过期,如果已过期则进行删除,同时对 expired++
    }

    // 超过时间限制则退出
    if (timelimit_exit) return;

  /* 如果本轮检查的已过期 key 的数量,超过 25%,则继续随机抽查,否则退出本轮检查 */
} while (expired > 20/4);

定时删除的流程如下:


内存淘汰策略

前面说的过期删除策略,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,以此来保障 Redis 高效的运行。

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,而是不再提供服务,直接返回错误。

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。

如何查看当前 Redis 使用的内存淘汰策略?

可以使用 config get maxmemory-policy 命令,来查看当前 Redis 的内存淘汰策略,命令如下:

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。

如何修改 Redis 内存淘汰策略?

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。

LRU 算法和 LFU 算法有什么区别?

LFU 内存淘汰算法是 Redis 4.0 之后新增内存淘汰策略,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区别?Redis 又是如何实现这两个算法的?

什么是 LRU 算法?

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

传统 LRU 算法的实现是基于「链表」结构,链表中的元素按照操作顺序从前往后排列,最新操作的键会被移动到表头,当需要内存淘汰时,只需要删除链表尾部的元素即可,因为链表尾部的元素就代表最久未被使用的元素。

Redis 并没有使用这样的方式实现 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 是如何实现 LRU 算法的?

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。

什么是 LFU 算法?

LFU 全称是 Least Frequently Used 翻译为最近最不常用的,LFU 算法是根据数据访问次数来淘汰数据的,它的核心思想是“如果数据过去被访问多次,那么将来被访问的频率也更高”。

所以, LFU 算法会记录每个数据的访问次数。当一个数据被再次访问时,就会增加该数据的访问次数。这样就解决了偶尔被访问一次之后,数据留存在缓存中很长一段时间的问题,相比于 LRU 算法也更合理一些。

Redis 是如何实现 LFU 算法的?

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:24;
    ...
} robj;

Redis 对象头中的 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,因此在 LRU 模式下,Redis可以根据对象头中的 lru 字段记录的值,来比较最后一次 key 的访问时间长,从而淘汰最久未被使用的 key。

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 的访问频次,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。

在每次 key 被访问时,会先对 logc 做一个衰减操作,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。访问频率需要考虑 key 的访问是多长时间段内发生的。key 的先前访问距离当前时间越长,那么这个 key 的访问频率相应地也就会降低,这样被淘汰的概率也会更大。

对 logc 做完衰减操作后,就开始对 logc 进行增加操作,增加操作并不是单纯直接 + 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。

所以,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;
  • 然后,再按照一定概率增加 logc 的值

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,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 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:

推荐学习:Redis视频教程

以上就是Redis的内存淘汰策略和过期删除策略的区别的详细内容,更多请关注php中文网其它相关文章!

声明:本文转载于:脚本之家,如有侵犯,请联系admin@php.cn删除

  • 相关标签:redis
  • 推荐:PHP从基础到实战教程视频

    相关文章

    相关视频


    专题推荐

    视频教程分类