《Redis设计与实现》读书笔记（十二） ——Redis键的生存时间与过期时间

《Redis设计与实现》读书笔记（十二） ——Redis键的生存时间与过期时间

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1、设置方式

在redis客户端，可以通过expire命令设置某个键的以秒为单位的生存时间（TTL），也可以用pexpire设置以毫秒为单位的时间。setex命令可以在对字符串对象设置值的时候，同时设置过期时间，但是其只针对字符串对象可以使用。在经过指定时间后，服务器会自动删除生存时间为0的键值对。

在客户端，还可以通过expireat或pexpireat命令，设置数据库键的过期时间。这个时间是一个unix时间戳，当时间到达该时间时，redis会删除该键。

另外，可以用ttl或pttl命令，查看键的剩余生存时间。如果键不存在数据库，会返回-2；键没有过期时间，返回-1；如果键有过期时间，则用过期时间的unix毫秒时间戳，减去当前时间的unix毫秒时间戳。

2、设置过期时间原理

redis有四个命令设置过期时间，但是实际上，expire、pexpire、expireat三个命令都是通过pexpireat命令实现的。

首先，expire命令可以转化成pexpire命令，只需要将设置的值乘以1000。

接着pexpire命令可以转化成pexpireat命令，只需要把当前时间的unix毫秒时间戳加上过期时间的unix毫秒时间戳即可。

另外，expireat命令可以转化成pexpireat命令，只需要将设置的值乘以1000。

如下图所示：

3、保存过期时间

redisDb结构的expire字典，保存了数据库的所有键的过期时间，因此也称这个属性为过期字典。

过期字典的键是一个指针，指向键空间的某个对象，也就是数据库的某个键；过期字典的值是一个long类型的整数，这个整数保存了键所指向的数据库的键的过期时间，是一个毫秒精度的unix时间戳。

带过期字典的数据库如下图所示：

上图中，键出现了两次，但是实际上只会出现一次，过期时间中的键都是指针，指向地址而已。上图那么画仅为了便于展示。

因此，pexpireat命令实际上是给redisDb结构的expires字典，添加一个键值对，键是指向要设置过期时间的键对象的指针，值是long类型的unix毫秒时间戳表示过期时间。

4、移除过期时间

redis客户端执行persist命令，可以将某个key移除过期时间。移除后，再用ttl命令查询，会得到-1的结果，即-1表示的是没有设定过期时间。

而具体实现上，也就是将expires指向key的指针以及其值的内存空间收回即可。redis在用ttl命令查询expires字典，查不到时，就返回-1，表示没有设置过期时间。

5、过期键的删除方式

redis判定键是否过期，即从expires字典，去判断当前时间是否大于字典里的时间，如果大于则表示键过期，否则没有过期。

对于删除过期的键，redis有三种策略，包括定时删除、懒惰删除、定期删除三种，1、3属于主动删除，2属于被动删除。

具体分析如下：

1）定时删除

也就是过期即删除，这种策略会在设定键的过期时间的时候，同时设定一个定时器，定时器的时间一到，马上将对应的键值对删除。

优点：定时删除是最节约内存的方式，保证每个键一到过期时间马上删除。

缺点：删除键需要时间，如果内存紧张的情况下，还要执行删除，会降低效率。此外，定时删除，需要创建大量的定时器，并且定时器在redis中是采用无需链表，查询定时器的时间复杂度是O(N)，因此耗时较多。

2）懒惰删除

即放任过期时间不管，但是每次客户端操作数据库的键的时候，都会判断键是否过期，如果过期则删除键，并返回空给客户端；否则直接将相应结果返回客户端。

优点：懒惰删除是对时间上最友好的，不检查键，也不用定时器。

缺点：缺点也很明显，如果大量键已经过期，并且长期没有客户端访问这些键，那么这些键以及其值都会长期占用内存，不释放空间，可以看成内存泄漏。

3）定期删除

即每隔一段时间，redis会键的过期时间，如果过期则删除。至于检查几个键，几个数据库，可以由算法策略决定。

定期删除可以看做定时删除和懒惰删除的折中的方式，每隔一段时间进行一部分的删除，通过限制删除执行的时长和频率来降低对cpu的影响，又避免一些键长期不被删除的风险。

其难点在于定期的策略，即删除频率和删除数量的设定。

6、过期删除的实现

redis实际上是采用上述的懒惰删除和定期删除的方式，对过期键进行删除，没有采用定时删除的方式。

1）懒惰删除

懒惰删除在redis是通过db.c文件的expireIfNeeded函数实现。客户端对每个键的访问，都会先调用此函数。如果键过期，则删除键，否则不动作。这个函数就像一个过滤器，在真正命令执行之前，过滤调过期的键，避免客户端接触到过期的键。

get命令对键的操作如下图，其他命令类似：

2）定期删除

定期删除在redis是通过redis.c文件的activeExpireCycle函数实现。每当redis服务器周期性执行redis.c文件的severCron函数，就会调用到activeExpireCycle函数。该函数会在规定时间内，分多次遍历各个数据库，从redis数据库redisDb结构的expires字典属性中，随机检查一部分键，并删除过期的键。

activeExpireCycle函数工作方式总结如下：

每次函数运行，都从一定量的数据库中，找出一定量的键，进行检查，并删除过期的键；有一个全局变量current_db，会记录activeExpireCycle函数的检查进度，下一次执行时会顺着当前的current_db检查下一个db，检查到最后一个db时这个值会重新变成0。

——written by linhxx 2017.09.03