詳解 Redis 記憶體管理機制和實現

Redis是一個基於記憶體的鍵值資料庫，其記憶體管理是非常重要的。本文記憶體管理的內容包括：過期鍵的懶性刪除和過期刪除以及記憶體溢出控制策略。 ...

Redis是一個基於記憶體的鍵值資料庫，其記憶體管理是非常重要的。本文記憶體管理的內容包括：過期鍵的懶性刪除和過期刪除以及記憶體溢出控制策略。

最大記憶體限制

Redis使用 maxmemory 參數限制最大可用記憶體，預設值為0，表示無限制。限制記憶體的目的主要有：

用於緩存場景，當超出記憶體上限 maxmemory 時使用 LRU 等刪除策略釋放空間。
防止所用記憶體超過伺服器物理記憶體。因為 Redis 預設情況下是會儘可能多使用伺服器的記憶體，可能會出現伺服器記憶體不足，導致 Redis 進程被殺死

maxmemory 限制的是Redis實際使用的記憶體量，也就是 used_memory統計項對應的記憶體。由於記憶體碎片率的存在，實際消耗的記憶體可能會比maxmemory設置的更大，實際使用時要小心這部分記憶體溢出。具體Redis 記憶體監控的內容請查看一文瞭解 Redis 記憶體監控和記憶體消耗。

Redis預設無限使用伺服器記憶體，為防止極端情況下導致系統記憶體耗盡，建議所有的Redis進程都要配置maxmemory。在保證物理記憶體可用的情況下，系統中所有Redis實例可以調整 maxmemory參數來達到自由伸縮記憶體的目的。

記憶體回收策略

Redis 回收記憶體大致有兩個機制：一是刪除到達過期時間的鍵值對象；二是當記憶體達到 maxmemory 時觸發記憶體移除控制策略，強制刪除選擇出來的鍵值對象。

刪除過期鍵對象

Redis 所有的鍵都可以設置過期屬性，內部保存在過期表中，鍵值表和過期表的結果如下圖所示。當 Redis保存大量的鍵，對每個鍵都進行精準的過期刪除可能會導致消耗大量的 CPU，會阻塞 Redis 的主線程，拖累 Redis 的性能，因此 Redis 採用惰性刪除和定時任務刪除機制實現過期鍵的記憶體回收。

惰性刪除是指當客戶端操作帶有超時屬性的鍵時，會檢查是否超過鍵的過期時間，然後會同步或者非同步執行刪除操作並返回鍵已經過期。這樣可以節省 CPU成本考慮，不需要單獨維護過期時間鏈表來處理過期鍵的刪除。

過期鍵的惰性刪除策略由 db.c/expireifNeeded 函數實現，所有對資料庫的讀寫命令執行之前都會調用 expireifNeeded 來檢查命令執行的鍵是否過期。如果鍵過期，expireifNeeded 會將過期鍵從鍵值表和過期表中刪除，然後同步或者非同步釋放對應對象的空間。源碼展示的時 Redis 4.0 版本。

expireIfNeeded 先從過期表中獲取鍵對應的過期時間，如果當前時間已經超過了過期時間(lua腳本執行則有特殊邏輯，詳看代碼註釋)，則進入刪除鍵流程。刪除鍵流程主要進行了三件事：

一是刪除操作命令傳播，通知 slave 實例並存儲到 AOF 緩衝區中
二是記錄鍵空間事件，
三是根據 lazyfreelazyexpire 是否開啟進行非同步刪除或者非同步刪除操作。

 1 int expireIfNeeded(redisDb *db, robj *key) {
 2     // 獲取鍵的過期時間
 3     mstime_t when = getExpire(db,key);
 4     mstime_t now;
 5     // 鍵沒有過期時間
 6     if (when < 0) return 0;
 7     // 實例正在從硬碟 laod 數據，比如說 RDB 或者 AOF
 8     if (server.loading) return 0;
 9 
10     // 當執行lua腳本時，只有鍵在lua一開始執行時
11     // 就到了過期時間才算過期，否則在lua執行過程中不算失效
12     now = server.lua_caller ? server.lua_time_start : mstime();
13 
14     // 當本實例是slave時，過期鍵的刪除由master發送過來的
15     // del 指令控制。但是這個函數還是將正確的信息返回給調用者。
16     if (server.masterhost != NULL) return now > when;
17     // 判斷是否未過期
18     if (now <= when) return 0;
19 
20     // 代碼到這裡，說明鍵已經過期，而且需要被刪除
21     server.stat_expiredkeys++;
22     // 命令傳播，到 slave 和 AOF
23     propagateExpire(db,key,server.lazyfree_lazy_expire);
24     // 鍵空間通知使得客戶端可以通過訂閱頻道或模式， 來接收那些以某種方式改動了 Redis 數據集的事件。
25     notifyKeyspaceEvent(NOTIFY_EXPIRED,
26         "expired",key,db->id);
27     // 如果是惰性刪除，調用dbAsyncDelete，否則調用 dbSyncDelete
28     return server.lazyfree_lazy_expire ? dbAsyncDelete(db,key) :
29                                          dbSyncDelete(db,key);
30 }

上圖是寫命令傳播的示意圖，刪除命令的傳播和它一致。propagateExpire 函數先調用 feedAppendOnlyFile 函數將命令同步到 AOF 的緩衝區中，然後調用 replicationFeedSlaves函數將命令同步到所有的 slave 中。Redis 複製的機制可以查看Redis 複製過程詳解。

// 將命令傳遞到slave和AOF緩衝區。maser刪除一個過期鍵時會發送Del命令到所有的slave和AOF緩衝區
void propagateExpire(redisDb *db, robj *key, int lazy) {
    robj *argv[2];
    // 生成同步的數據
    argv[0] = lazy ? shared.unlink : shared.del;
    argv[1] = key;
    incrRefCount(argv[0]);
    incrRefCount(argv[1]);
    // 如果開啟了 AOF 則追加到 AOF 緩衝區中
    if (server.aof_state != AOF_OFF)
        feedAppendOnlyFile(server.delCommand,db->id,argv,2);
    // 同步到所有 slave
    replicationFeedSlaves(server.slaves,db->id,argv,2);

    decrRefCount(argv[0]);
    decrRefCount(argv[1]);
}

dbAsyncDelete 函數會先調用 dictDelete 來刪除過期表中的鍵，然後處理鍵值表中的鍵值對象。它會根據值的占用的空間來選擇是直接釋放值對象，還是交給 bio 非同步釋放值對象。判斷依據就是值的估計大小是否大於 LAZYFREE_THRESHOLD 閾值。鍵對象和 dictEntry 對象則都是直接被釋放。

#define LAZYFREE_THRESHOLD 64
int dbAsyncDelete(redisDb *db, robj *key) {
    // 刪除該鍵在過期表中對應的entry
    if (dictSize(db->expires) > 0) dictDelete(db->expires,key->ptr);

    // unlink 該鍵在鍵值表對應的entry
    dictEntry *de = dictUnlink(db->dict,key->ptr);
    // 如果該鍵值占用空間非常小，懶刪除反而效率低。所以只有在一定條件下，才會非同步刪除
    if (de) {
        robj *val = dictGetVal(de);
        size_t free_effort = lazyfreeGetFreeEffort(val);
        // 如果釋放這個對象消耗很多，並且值未被共用(refcount == 1)則將其加入到懶刪除列表
        if (free_effort > LAZYFREE_THRESHOLD && val->refcount == 1) {
            atomicIncr(lazyfree_objects,1);
            bioCreateBackgroundJob(BIO_LAZY_FREE,val,NULL,NULL);
            dictSetVal(db->dict,de,NULL);
        }
    }

    // 釋放鍵值對，或者只釋放key，而將val設置為NULL來後續懶刪除
    if (de) {
        dictFreeUnlinkedEntry(db->dict,de);
        // slot 和 key 的映射關係是用於快速定位某個key在哪個 slot中。
        if (server.cluster_enabled) slotToKeyDel(key);
        return 1;
    } else {
        return 0;
    }
}

dictUnlink 會將鍵值從鍵值表中刪除，但是卻不釋放 key、val和對應的表entry對象，而是將其直接返回，然後再調用dictFreeUnlinkedEntry進行釋放。dictDelete 是它的兄弟函數，但是會直接釋放相應的對象。二者底層都通過調用 dictGenericDelete來實現。dbAsyncDelete d的兄弟函數 dbSyncDelete 就是直接調用dictDelete來刪除過期鍵。

void dictFreeUnlinkedEntry(dict *d, dictEntry *he) {
    if (he == NULL) return;
    // 釋放key對象
    dictFreeKey(d, he);
    // 釋放值對象，如果它不為null
    dictFreeVal(d, he);
    // 釋放 dictEntry 對象
    zfree(he);
}

Redis 有自己的 bio 機制，主要是處理 AOF 落盤、懶刪除邏輯和關閉大文件fd。bioCreateBackgroundJob 函數將釋放值對象的 job 加入到隊列中，bioProcessBackgroundJobs會從隊列中取出任務，根據類型進行對應的操作。

void *bioProcessBackgroundJobs(void *arg) {
    .....
    while(1) {
        listNode *ln;

        ln = listFirst(bio_jobs[type]);
        job = ln->value;
        if (type == BIO_CLOSE_FILE) {
            close((long)job->arg1);
        } else if (type == BIO_AOF_FSYNC) {
            aof_fsync((long)job->arg1);
        } else if (type == BIO_LAZY_FREE) {
            // 根據參數來決定要做什麼。有參數1則要釋放它，有參數2和3是釋放兩個鍵值表
            // 過期表，也就是釋放db 只有參數三是釋放跳錶
            if (job->arg1)
                lazyfreeFreeObjectFromBioThread(job->arg1);
            else if (job->arg2 && job->arg3)
                lazyfreeFreeDatabaseFromBioThread(job->arg2,job->arg3);
            else if (job->arg3)
                lazyfreeFreeSlotsMapFromBioThread(job->arg3);
        }
        zfree(job);
        ......
    }
}

dbSyncDelete 則是直接刪除過期鍵，並且將鍵、值和 DictEntry 對象都釋放。

int dbSyncDelete(redisDb *db, robj *key) {
    // 刪除過期表中的entry
    if (dictSize(db->expires) > 0) dictDelete(db->expires,key->ptr);
    // 刪除鍵值表中的entry
    if (dictDelete(db->dict,key->ptr) == DICT_OK) {
        // 如果開啟了集群，則刪除slot 和 key 映射表中key記錄。
        if (server.cluster_enabled) slotToKeyDel(key);
        return 1;
    } else {
        return 0;
    }
}

但是單獨用這種方式存在記憶體泄露的問題，當過期鍵一直沒有訪問將無法得到及時刪除，從而導致記憶體不能及時釋放。正因為如此，Redis還提供另一種定時任務刪除機製作為惰性刪除的補充。

Redis 內部維護一個定時任務，預設每秒運行10次（通過配置控制）。定時任務中刪除過期鍵邏輯採用了自適應演算法，根據鍵的過期比例、使用快慢兩種速率模式回收鍵，流程如下圖所示。

1）定時任務首先根據快慢模式( 慢模型掃描的鍵的數量以及可以執行時間都比快模式要多 )和相關閾值配置計算計算本周期最大執行時間、要檢查的資料庫數量以及每個資料庫掃描的鍵數量。
2) 從上次定時任務未掃描的資料庫開始，依次遍歷各個資料庫。
3）從資料庫中隨機選手 ACTIVEEXPIRECYCLELOOKUPSPER_LOOP 個鍵，如果發現是過期鍵，則調用 activeExpireCycleTryExpire 函數刪除它。
4）如果執行時間超過了設定的最大執行時間，則退出，並設置下一次使用慢模式執行。
5）未超時的話，則判斷是否採樣的鍵中是否有25%的鍵是過期的，如果是則繼續掃描當前資料庫，跳到第3步。否則開始掃描下一個資料庫。

定期刪除策略由 expire.c/activeExpireCycle 函數實現。在redis事件驅動的迴圈中的eventLoop->beforesleep和周期性操作 databasesCron 都會調用 activeExpireCycle 來處理過期鍵。但是二者傳入的 type 值不同，一個是ACTIVEEXPIRECYCLESLOW 另外一個是ACTIVEEXPIRECYCLEFAST。activeExpireCycle 在規定的時間，分多次遍歷各個資料庫，從 expires 字典中隨機檢查一部分過期鍵的過期時間，刪除其中的過期鍵，相關源碼如下所示。

void activeExpireCycle(int type) {
    // 上次檢查的db
    static unsigned int current_db = 0; 
    // 上次檢查的最大執行時間
    static int timelimit_exit = 0;
    // 上一次快速模式運行時間
    static long long last_fast_cycle = 0; /* When last fast cycle ran. */

    int j, iteration = 0;
    // 每次檢查周期要遍歷的DB數
    int dbs_per_call = CRON_DBS_PER_CALL;
    long long start = ustime(), timelimit, elapsed;

    ..... // 一些狀態時不進行檢查，直接返回

    // 如果上次周期因為執行達到了最大執行時間而退出，則本次遍歷所有db,否則遍歷db數等於 CRON_DBS_PER_CALL
    if (dbs_per_call > server.dbnum || timelimit_exit)
        dbs_per_call = server.dbnum;

    // 根據ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_SLOW_TIME_PERC計算本次最大執行時間
    timelimit = 1000000*ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_SLOW_TIME_PERC/server.hz/100;
    timelimit_exit = 0;
    if (timelimit <= 0) timelimit = 1;
    // 如果是快速模式，則最大執行時間為ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_FAST_DURATION
    if (type == ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_FAST)
        timelimit = ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_FAST_DURATION; /* in microseconds. */
    // 採樣記錄
    long total_sampled = 0;
    long total_expired = 0;
    // 依次遍歷 dbs_per_call 個 db
    for (j = 0; j < dbs_per_call && timelimit_exit == 0; j++) {
        int expired;
        redisDb *db = server.db+(current_db % server.dbnum);
        // 將db數增加，一遍下一次繼續從這個db開始遍歷
        current_db++;

        do {
            ..... // 申明變數和一些情況下 break
            if (num > ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_LOOKUPS_PER_LOOP)
                num = ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_LOOKUPS_PER_LOOP;
            // 主要迴圈，在過期表中進行隨機採樣，判斷是否比率大於25%
            while (num--) {
                dictEntry *de;
                long long ttl;

                if ((de = dictGetRandomKey(db->expires)) == NULL) break;
                ttl = dictGetSignedIntegerVal(de)-now;
                // 刪除過期鍵
                if (activeExpireCycleTryExpire(db,de,now)) expired++;
                if (ttl > 0) {
                    /* We want the average TTL of keys yet not expired. */
                    ttl_sum += ttl;
                    ttl_samples++;
                }
                total_sampled++;
            }
            // 記錄過期總數
            total_expired += expired;
            // 即使有很多鍵要過期，也不阻塞很久，如果執行超過了最大執行時間，則返回
            if ((iteration & 0xf) == 0) { /* check once every 16 iterations. */
                elapsed = ustime()-start;
                if (elapsed > timelimit) {
                    timelimit_exit = 1;
                    server.stat_expired_time_cap_reached_count++;
                    break;
                }
            }
            // 當比率小於25%時返回
        } while (expired > ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_LOOKUPS_PER_LOOP/4);
    }
    .....// 更新一些server的記錄數據
}

activeExpireCycleTryExpire 函數的實現就和 expireIfNeeded 類似，這裡就不贅述了。

int activeExpireCycleTryExpire(redisDb *db, dictEntry *de, long long now) {
    long long t = dictGetSignedIntegerVal(de);
    if (now > t) {
        sds key = dictGetKey(de);
        robj *keyobj = createStringObject(key,sdslen(key));

        propagateExpire(db,keyobj,server.lazyfree_lazy_expire);
        if (server.lazyfree_lazy_expire)
            dbAsyncDelete(db,keyobj);
        else
            dbSyncDelete(db,keyobj);
        notifyKeyspaceEvent(NOTIFY_EXPIRED,
            "expired",keyobj,db->id);
        decrRefCount(keyobj);
        server.stat_expiredkeys++;
        return 1;
    } else {
        return 0;
    }
}

定期刪除策略的關鍵點就是刪除操作執行的時長和頻率：

如果刪除操作太過頻繁或者執行時間太長，就對 CPU 時間不是很友好，CPU 時間過多的消耗在刪除過期鍵上。
如果刪除操作執行太少或者執行時間太短，就不能及時刪除過期鍵，導致記憶體浪費。

記憶體溢出控制策略

當Redis所用記憶體達到maxmemory上限時會觸發相應的溢出控制策略。具體策略受maxmemory-policy參數控制，Redis支持6種策略，如下所示：

1）noeviction：預設策略，不會刪除任何數據，拒絕所有寫入操作並返回客戶端錯誤信息（error）OOM command not allowed when used memory，此時Redis只響應讀操作。
2）volatile-lru：根據LRU演算法刪除設置了超時屬性（expire）的鍵，直到騰出足夠空間為止。如果沒有可刪除的鍵對象，回退到noeviction策略。
3）allkeys-lru：根據LRU演算法刪除鍵，不管數據有沒有設置超時屬性，直到騰出足夠空間為止。
4）allkeys-random：隨機刪除所有鍵，直到騰出足夠空間為止。
5）volatile-random：隨機刪除過期鍵，直到騰出足夠空間為止。
6）volatile-ttl：根據鍵值對象的ttl屬性，刪除最近將要過期數據。如果沒有，回退到noeviction策略。

記憶體溢出控制策略可以使用 config set maxmemory-policy {policy} 語句進行動態配置。Redis 提供了豐富的空間溢出控制策略，我們可以根據自身業務需要進行選擇。

當設置 volatile-lru 策略時，保證具有過期屬性的鍵可以根據 LRU 剔除，而未設置超時的鍵可以永久保留。還可以採用allkeys-lru 策略把 Redis 變為純緩存伺服器使用。

當Redis因為記憶體溢出刪除鍵時，可以通過執行 info stats 命令查看 evicted_keys 指標找出當前 Redis 伺服器已剔除的鍵數量。

每次Redis執行命令時如果設置了maxmemory參數，都會嘗試執行回收記憶體操作。當Redis一直工作在記憶體溢出（used_memory>maxmemory）的狀態下且設置非 noeviction 策略時，會頻繁地觸發回收記憶體的操作，影響Redis 伺服器的性能，這一點千萬要引起註意。

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