redis系列之------過期策略

前言

我們都知道redis是常駐在記憶體當中的，因此他的效率比MySQL要快很多很多。但又引發了另外一個問題，記憶體從本質上講，它是昂貴的，不能用於大量的長時間的存儲，他是“不安全不穩定的“，並且有可能存在記憶體泄露，不能與磁碟相比。

那麼如果解決這種問題呢？因此我們使用redis的時候，強制的應該給每個Key加上過期時間。我們來看看redis對過期的Key是怎麼處理的。

過期鍵的判定

第一個問題，redis如何知道他是一個過期鍵呢？又該如何判定他過期了呢？

在資料庫中， 所有鍵的過期時間都被保存在 redisDb 結構的 expires 字典里：

1 typedef struct redisDb {
2 
3     // ...
4 
5     dict *expires;
6 
7     // ...
8 
9 } redisDb;

expires 字典的鍵是一個指向 dict 字典（鍵空間）里某個鍵的指針， 而字典的值則是鍵所指向的資料庫鍵的到期時間， 這個值以 long long類型表示。

下圖展示了一個含有三個鍵的資料庫，其中 number 和 book 兩個鍵帶有過期時間

我們可以看到number和book是有一個過期時間的，他是long long類型。實則他是一個unix的時間戳，因此判斷他是否過期就十分的簡單了。

通過 expires 字典， 可以用以下步驟檢查某個鍵是否過期：

1. 檢查鍵是否存在於 expires 字典：如果存在，那麼取出鍵的過期時間；
2. 檢查當前 UNIX 時間戳是否大於鍵的過期時間：如果是的話，那麼鍵已經過期；否則，鍵未過期。

可以用偽代碼來描述這一過程：

 1 def is_expired(key):
 2 
 3     # 取出鍵的過期時間
 4     key_expire_time = expires.get(key)
 5 
 6     # 如果過期時間不為空，並且當前時間戳大於過期時間，那麼鍵已經過期
 7     if expire_time is not None and current_timestamp() > key_expire_time:
 8         return True
 9 
10     # 否則，鍵未過期或沒有設置過期時間
11     return False

過期鍵的清除

當我們知道這個鍵過期了，我們該如何清除呢？基本上有以下三種策略：

• 定時刪除：在設置鍵的過期時間時，創建一個定時事件，當過期時間到達時，由事件處理器自動執行鍵的刪除操作。
• 惰性刪除：放任鍵過期不管，但是在每次從 dict 字典中取出鍵值時，要檢查鍵是否過期，如果過期的話，就刪除它，並返回空；如果沒過期，就返回鍵值。
• 定期刪除：每隔一段時間，對 expires 字典進行檢查，刪除裡面的過期鍵。

定時刪除

定時刪除策略對記憶體是最友好的： 因為它保證過期鍵會在第一時間被刪除， 過期鍵所消耗的記憶體會立即被釋放。

這種策略的缺點是， 它對 CPU 時間是最不友好的： 因為刪除操作可能會占用大量的 CPU 時間 —— 在記憶體不緊張、但是 CPU 時間非常緊張的時候 （比如說，進行交集計算或排序的時候）， 將 CPU 時間花在刪除那些和當前任務無關的過期鍵上， 這種做法毫無疑問會是低效的。

除此之外， 目前 Redis 事件處理器對時間事件的實現方式 —— 無序鏈表， 查找一個時間複雜度為 O(N) —— 並不適合用來處理大量時間事件。

惰性刪除

惰性刪除對 CPU 時間來說是最友好的： 它只會在取出鍵時進行檢查， 這可以保證刪除操作只會在非做不可的情況下進行 —— 並且刪除的目標僅限於當前處理的鍵， 這個策略不會在刪除其他無關的過期鍵上花費任何 CPU 時間。

惰性刪除的缺點是， 它對記憶體是最不友好的： 如果一個鍵已經過期， 而這個鍵又仍然保留在資料庫中， 那麼 dict 字典和 expires 字典都需要繼續保存這個鍵的信息， 只要這個過期鍵不被刪除， 它占用的記憶體就不會被釋放。

在使用惰性刪除策略時， 如果資料庫中有非常多的過期鍵， 但這些過期鍵又正好沒有被訪問的話， 那麼它們就永遠也不會被刪除（除非用戶手動執行）， 這對於性能非常依賴於記憶體大小的 Redis 來說， 肯定不是一個好消息。

舉個例子， 對於一些按時間點來更新的數據， 比如日誌（log）， 在某個時間點之後， 對它們的訪問就會大大減少， 如果大量的這些過期數據積壓在資料庫裡面， 用戶以為它們已經過期了（已經被刪除了）， 但實際上這些鍵卻沒有真正的被刪除（記憶體也沒有被釋放）， 那結果肯定是非常糟糕。

定期刪除

從上面對定時刪除和惰性刪除的討論來看， 這兩種刪除方式在單一使用時都有明顯的缺陷： 定時刪除占用太多 CPU 時間， 惰性刪除浪費太多記憶體。

定期刪除是這兩種策略的一種折中：

• 它每隔一段時間執行一次刪除操作，並通過限制刪除操作執行的時長和頻率，籍此來減少刪除操作對 CPU 時間的影響。
• 另一方面，通過定期刪除過期鍵，它有效地減少了因惰性刪除而帶來的記憶體浪費。

因此最終redis使用的過期鍵刪除策略是惰性刪除加上定期刪除， 這兩個策略相互配合，可以很好地在合理利用 CPU 時間和節約記憶體空間之間取得平衡。

因此redis大致流程如下：獲取key之前，會檢查key是否過期，如過期，直接刪除，返回null。

並且會定期的隨機的檢查大約25%的key是否過期，如果超過一定比例的key被過期。那麼繼續迴圈，直至低於這個數值。

這個定期的時間，以及數值都可以在conf文件裡面配置。