Redis键过期策略、内存淘汰策略详解

1 设置带过期时间的 key

# 时间复杂度：O（1），最常用方式
expire key seconds

# 字符串独有方式
setex(String key, int seconds, String value)

除了string独有设置过期时间的方法，其他类型都需要依靠expire方法设置时间，若：

• 未设置时间，则缓存永不过期
• 设置过期时间，但之后又想让缓存永不过期，使用persist方法。

设置key的过期时间。超时后，将会自动删除该key。在Redis的术语中一个key的相关超时是volatile的。

超时后只有对key执行DEL、SET、GETSET时才会清除。所以，从概念上讲，所有改变key而不用新值替换的所有操作都将保持超时不变。 例如，使用 INCR 递增key的值，执行 LPUSH 将新值推到 list 中或用 HSET 改变hash的field，这些操作都使超时保持不变。

• 使用 PERSIST 命令可以清除超时，使其变成一个永久key
• 若 key 被 RENAME 命令修改，相关的超时时间会转移到新key
• 若 key 被 RENAME 命令修改，比如原来就存在 Key_A，然后调用 RENAME Key_B Key_A 命令，这时不管原来 Key_A 是永久的还是设为超时的，都会由Key_B的有效期状态覆盖

注意，使用非正超时调用 EXPIRE/PEXPIRE 或具有过去时间的 EXPIREAT/PEXPIREAT 将导致key被删除而不是过期（因此，发出的key事件将是 del，而不是过期）。

1.1 刷新过期时间

对已经有过期时间的key执行EXPIRE操作，将会更新它的过期时间。有很多应用有这种业务场景，例如记录会话的session。

1.2 Redis 之前的 2.1.3 的差异

在 Redis 版本之前 2.1.3 中，使用更改其值的命令更改具有过期集的密钥具有完全删除key的效果。由于现在修复的复制层中存在限制，因此需要此语义。

EXPIRE 将返回 0，并且不会更改具有超时集的键的超时。

1.3 返回值

• 1 如果成功设置过期时间。
• 0 如果key不存在或者不能设置过期时间。

1.4 示例

假设有一 Web 服务，对用户最近访问的最新 N 页感兴趣，这样每个相邻页面视图在上一个页面之后不超过 60 秒。从概念上讲，可以将这组页面视图视为用户的导航会话，该会话可能包含有关ta当前正在寻找的产品的有趣信息，以便你可以推荐相关产品。

可使用以下策略轻松在 Redis 中对此模式建模：每次用户执行页面视图时，您都会调用以下命令：

MULTI
RPUSH pagewviews.user:<userid> http://.....
EXPIRE pagewviews.user:<userid> 60
EXEC

如果用户空闲超过 60 秒，则将删除该key，并且仅记录差异小于 60 秒的后续页面视图。 此模式很容易修改，使用 INCR 而不是使用 RPUSH 的列表。

1.5 带过期时间的 key

通常，创建 Redis 键时没有关联的存活时间。key将永存，除非用户以显式方式（例如 DEL 命令）将其删除。 EXPIRE 族的命令能够将过期项与给定key关联，但代价是该key使用的额外内存。当key具有过期集时，Redis 将确保在经过指定时间时删除该key。 可使用 EXPIRE 和 PERSIST 命令（或其他严格命令）更新或完全删除生存的关键时间。

1.6 过期精度

在 Redis 2.4 中，过期可能不准确，并且可能介于 0 到 1 秒之间。 由于 Redis 2.6，过期误差从 0 到 1 毫秒。

1.7 过期和持久化

过期信息的键存储为绝对 Unix 时间戳（Redis 版本 2.6 或更高版本为毫秒）。这意味着即使 Redis 实例不处于活动状态，时间也在流动。 要使过期工作良好，必须稳定计算机时间。若将 RDB 文件从两台计算机上移动，其时钟中具有大 desync，则可能会发生有趣的事情（如加载时加载到过期的所有key）。 即使运行时的实例，也始终会检查计算机时钟，例如，如果将一个key设置为 1000 秒，然后在将来设置计算机时间 2000 秒，则该key将立即过期，而不是持续 1000 秒。

2 Redis的key过期策略

• 被动方式 - 惰性删除
• 主动方式 - 定期删除

为保证 Redis 的高性能，所以不会单独安排一个线程专门去删除。

2.1 惰性删除

key过期时不删除，每次获取key时，再去检查是否过期。若过期，则删除，返回null。

2.1.1 优点

删除操作只发生在取key时，且只删除当前key，所以对CPU时间占用较少。此时删除已非做不可，毕竟若还不删除，就会获取到已过期key。

当查询该key时，Redis再很懒惰地检查是否删除。这和 Spring 的延迟初始化有着异曲同工之妙。

2.1.2 缺点

但这是不够的，因为有过期key，永远不会再访问。若大量key在超出TTL后，很久一段时间内，都没有被获取过，则可能发生内存泄露（无用垃圾占用了大量内存）。

无论如何，这些key都应过期，因此还需要定期 Redis 在具有过期集的key之间随机测试几个key。已过期的所有key将从key空间中删除。

定时删除

在设置key的过期时间的同时，为该key创建一个定时器，让定时器在key的过期时间来临时，对key进行删除。

优点

保证内存被尽快释放

缺点

• 若过期key很多，删除这些key会占用很多的CPU时间，在CPU时间紧张的情况下，CPU不能把所有的时间用来做要紧的事儿，还需要去花时间删除这些key
• 定时器的创建耗时，若为每一个设置过期时间的key创建一个定时器（将会有大量的定时器产生），性能影响严重

所以没人用

2.2 定期删除

每隔一段时间执行一次删除过期key操作。

优点：

• 通过限制删除操作的时长和频率，来减少删除操作对CPU时间的占用–处理"定时删除"的缺点
• 定期删除过期key–处理"惰性删除"的缺点

缺点

• 在内存友好方面，不如"定时删除"
• 在CPU时间友好方面，不如"惰性删除"

难点

• 合理设置删除操作的执行时长（每次删除执行多长时间）和执行频率（每隔多长时间做一次删除）（这个要根据服务器运行情况来定了）

具体来说，如下 Redis 每秒 10 次：

1. 测试 20 个带有过期的随机键
2. 删除找到的所有已过期key
3. 如果超过 25% 的key已过期，从步骤 1 重新开始

这是一个微不足道的概率算法，假设我们的样本代表整个key空间，继续过期，直到可能过期的key百分比低于 25%。 这意味着在任何给定时刻，使用内存的已过期的最大键量等于最大写入操作量/秒除以 4。

Redis采用的过期策略

惰性删除+定期删除。

惰性删除流程

在进行get或setnx等操作时，先检查key是否过期：

• 若过期，删除key，然后执行相应操作
• 若没过期，直接执行相应操作

定期删除流程

简单而言，对指定个数个库的每一个库随机删除小于等于指定个数个过期key。

• 遍历每个数据库（就是redis.conf中配置的"database"数量，默认为16）
• 检查当前库中的指定个数个key（默认是每个库检查20个key，注意相当于该循环执行20次，循环体时下边的描述）
• 如果当前库中没有一个key设置了过期时间，直接执行下一个库的遍历
• 随机获取一个设置了过期时间的key，检查该key是否过期，如果过期，删除key
• 判断定期删除操作是否已经达到指定时长，若已经达到，直接退出定期删除。

注意：

• 对于定期删除，在程序中有一个全局变量current_db来记录下一个将要遍历的库，假设有16个库，我们这一次定期删除遍历了10个，那此时的current_db就是11，下一次定期删除就从第11个库开始遍历，假设current_db等于15了，那么之后遍历就再从0号库开始（此时current_db==0）

由于在实际中并没有操作过定期删除的时长和频率，所以这两个值的设置方式作为疑问。

RDB对过期key处理

过期key对RDB没有任何影响。

• 从内存数据库持久化数据到RDB文件
  • 持久化key之前，会检查是否过期，过期的key不进入RDB文件
• 从RDB文件恢复数据到内存数据库
  • 数据载入数据库之前，会对key先进行过期检查，如果过期，不导入数据库（主库情况）

AOF处理过期key

过期key对AOF没有任何影响。

从内存数据库持久化到AOF文件

• 当key过期后，还没有被删除，此时进行执行持久化操作（该key是不会进入aof文件的，因为没有发生修改命令）
• 当key过期后，在发生删除操作时，程序会向aof文件追加一条del命令（在将来的以aof文件恢复数据的时候该过期的键就会被删掉）

AOF重写

重写时，会先判断key是否过期，已过期的key不会重写到aof文件

2.3 在复制链路和 AOF 文件中处理过期的方式

为了在不牺牲一致性的情况下获得正确行为，当key过期时，DEL 操作将同时在 AOF 文件中合成并获取所有附加的从节点。这样，过期的这个处理过程集中到主节点中，还没有一致性错误的可能性。

但是，虽然连接到主节点的从节点不会独立过期key（但会等待来自master的 DEL），但它们仍将使用数据集中现有过期的完整状态，因此，当选择slave作为master时，它将能够独立过期key，完全充当master。

默认每台Redis服务器有16个数据库，默认使用0号数据库，所有的操作都是对0号数据库的操作

# 设置数据库数量。默认为16个库，默认使用DB 0，可使用"select 1"来选择一号数据库
# 注意：由于默认使用0号数据库，那么我们所做的所有的缓存操作都存在0号数据库上，
# 当你在1号数据库上去查找的时候，就查不到之前set过的缓存
# 若想将0号数据库上的缓存移动到1号数据库，可以使用"move key 1"
databases 16

• memcached只是用了惰性删除，而redis同时使用了惰性删除与定期删除，这也是二者的一个不同点（可以看做是redis优于memcached的一点）
• 对于惰性删除而言，并不是只有获取key的时候才会检查key是否过期，在某些设置key的方法上也会检查（eg.setnx key2 value2：该方法类似于memcached的add方法，如果设置的key2已经存在，那么该方法返回false，什么都不做；如果设置的key2不存在，那么该方法设置缓存key2-value2。假设调用此方法的时候，发现redis中已经存在了key2，但是该key2已经过期了，如果此时不执行删除操作的话，setnx方法将会直接返回false，也就是说此时并没有重新设置key2-value2成功，所以对于一定要在setnx执行之前，对key2进行过期检查）

可是，很多过期key，你没及时去查，定期删除也漏掉了，大量过期key堆积内存，Redis内存殆耗尽！ 因此内存满时，还需有内存淘汰机制！这就是 Redis 自己 主动删除 数据了！

3 内存淘汰

3.1 内存淘汰策略

• 配置项

noeviction（Redis默认策略）

不删除任何东西，只需在写操作中返回错误。即不会继续服务写请求 (但DEL 请求可继续服务)，读请求可继续进行。 这保证不会丢数据，但会让线上业务无法持续进行。

• config.c

createEnumConfig("maxmemory-policy", NULL, 
	MODIFIABLE_CONFIG, maxmemory_policy_enum, 
		server.maxmemory_policy, 
			MAXMEMORY_NO_EVICTION, NULL, NULL),

allkeys-random

当内存不足以容纳新写入的数据时，在键空间中，随机移除某key。

但是凭啥随机呢，至少也是把最近最少使用的key删除。

allkeys-lru

当内存不足以容纳新写入数据时，在键空间中，移除最近最少使用的key，没有设置过期时间的 key 也会被淘汰。

allkeys-lfu(Least Frequently Used)

LRU的关键是看页面最后一次被使用到发生调度的时间长短，而LFU关键是看一定时间段内页面被使用的频率。

volatile-lru（最常用）

尝试淘汰设置了过期时间的 key，最少使用的 key 优先被淘汰。 没有设置过期时间的 key 不会被淘汰，这样可以保证需要持久化的数据不会突然丢失。 区别于 allkey-lru，这个策略要淘汰的只是过期的 key 集。

volatile-lfu

volatile-random

淘汰的 key 是过期 key 集合中随机的 key。

volatile-ttl

淘汰的策略不是 LRU，而是 key 的剩余寿命 ttl 的值，ttl 越小越优先被淘汰。

volatile-xxx 策略只会针对带TTL的 key 进行淘汰，allkeys-xxx 策略会对所有的 key 进行淘汰。

• 若只拿 Redis 做缓存，推荐 allkeys-xxx，客户端写缓存时不必携带TTL
• 若你还想同时使用 Redis 持久化，推荐 volatile-xxx，这样可以保留没有TTL的 key，它们是永久 key 不会被 LRU 淘汰。

数据淘汰策略

1. volatile-lru：从已设置过期时间的数据集（server.db[i].expires）中挑选最近最少使用的数据淘汰
2. volatile-ttl：从已设置过期时间的数据集（server.db[i].expires）中挑选将要过期的数据淘汰
3. volatile-random：从已设置过期时间的数据集（server.db[i].expires）中任意选择数据淘汰
4. allkeys-lru：从数据集（server.db[i].dict）中挑选最近最少使用的数据淘汰；
5. allkeys-random：从数据集（server.db[i].dict）中任意选择数据淘汰；
6. no-enviction（驱逐）：禁止驱逐数据。

应用场景

可以充分的利用Redis的特性，大大提高效率。

• 在主页中显示最新的项目列表 Redis使用的是常驻内存的缓存，速度非常快
  • LPUSH用来插入一个内容ID，作为关键字存储在列表头部
  • LTRIM用来限制列表中的项目数最多为5000 如果用户需要的检索的数据量超越这个缓存容量，这时才需要把请求发送到数据库
• 删除和过滤 如果一篇文章被删除，可以使用LREM从缓存中彻底清除掉
• 排行榜及相关问题 排行榜（leader board）按照得分进行排序
  • ZADD命令可以直接实现这个功能
  • ZREVRANGE命令可以用来按照得分来获取前100名的用户
  • ZRANK可以用来获取用户排名，非常直接而且操作容易
• 按照用户投票和时间排序 排行榜，得分会随着时间变化。 LPUSH和LTRIM命令结合运用，把文章添加到一个列表中 一项后台任务用来获取列表，并重新计算列表的排序，ZADD命令用来按照新的顺序填充生成列表。列表可以实现非常快速的检索，即使是负载很重的站点。
• 过期处理 使用Unix时间作为关键字，用来保持列表能够按时间排序。对current_time和time_to_live进行检索，完成查找过期项目的艰巨任务。另一项后台任务使用ZRANGE…WITHSCORES进行查询，删除过期的条目。
• 计数 进行各种数据统计的用途是非常广泛的，比如想知道什么时候封锁一个IP地址 INCRBY命令让这些变得很容易，通过原子递增保持计数 GETSET用来重置计数器 过期属性用来确认一个关键字什么时候应该删除
• 特定时间内的特定项目 这是特定访问者的问题，可以通过给每次页面浏览使用SADD命令来解决 SADD不会将已经存在的成员添加到一个集合。
• Pub/Sub 在更新中保持用户对数据的映射是系统中的一个普遍任务。Redis的pub/sub功能使用了SUBSCRIBE、UNSUBSCRIBE和PUBLISH命令，让这个变得更加容易。
• 队列 在当前的编程中队列随处可见。除了push和pop类型的命令之外，Redis还有阻塞队列的命令，能够让一个程序在执行时被另一个程序添加到队列。

参考

• https://redis.io/commands#generic