Redis系列(五)：Redis的過時鍵刪除策略

本篇博客是Redis系列的第5篇，主要講解下Redis的過時鍵刪除策略。

本系列的前4篇能夠點擊如下連接查看：

Redis系列(一)：Redis簡介及環境安裝

Redis系列(二)：Redis的5種數據結構及其經常使用命令

Redis系列(三)：Redis的持久化機制(RDB、AOF)

Redis系列(四)：Redis的複製機制(主從複製)

劃重點：Redis的過時鍵刪除策略也是面試中常常會被問的，我最近面試，被問到了好幾回。

對於Redis服務器來講，內存資源很是寶貴，若是一些過時鍵一直不被刪除，就會形成資源浪費，

所以咱們須要考慮一個問題：若是一個鍵過時了，它何時會被刪除呢？

1. 常見的刪除策略

常見的刪除策略有如下3種：

1. 定時刪除

   在設置鍵的過時時間的同時，建立一個定時器，讓定時器在鍵的過時時間來臨時，當即執行對鍵的刪除操做。

2. 惰性刪除

   聽任過時鍵無論，每次從鍵空間中獲取鍵時，檢查該鍵是否過時，若是過時，就刪除該鍵，若是沒有過時，就返回該鍵。

3. 按期刪除

   每隔一段時間，程序對數據庫進行一次檢查，刪除裏面的過時鍵，至於要刪除哪些數據庫的哪些過時鍵，則由算法決定。

其中定時刪除和按期刪除爲主動刪除策略，惰性刪除爲被動刪除策略。

接下來咱們一一講解。

1.1 定時刪除策略

定時刪除策略經過使用定時器，定時刪除策略能夠保證過時鍵儘量快地被刪除，並釋放過時鍵佔用的內存。

所以，定時刪除策略的優缺點以下所示：

1. 優勢：對內存很是友好
2. 缺點：對CPU時間很是不友好

舉個例子，若是有大量的命令請求等待服務器處理，而且服務器當前不缺乏內存，若是服務器將大量的CPU時間用來刪除過時鍵，那麼服務器的響應時間和吞吐量就會受到影響。

也就是說，若是服務器建立大量的定時器，服務器處理命令請求的性能就會下降，

所以Redis目前並無使用定時刪除策略。

1.2 惰性刪除策略

惰性刪除策略只會在獲取鍵時纔對鍵進行過時檢查，不會在刪除其它無關的過時鍵花費過多的CPU時間。

所以，惰性刪除策略的優缺點以下所示：

1. 優勢：對CPU時間很是友好
2. 缺點：對內存很是不友好

舉個例子，若是數據庫有不少的過時鍵，而這些過時鍵又剛好一直沒有被訪問到，那這些過時鍵就會一直佔用着寶貴的內存資源，形成資源浪費。

1.3 按期刪除策略

按期刪除策略是定時刪除策略和惰性刪除策略的一種整合折中方案。

按期刪除策略每隔一段時間執行一次刪除過時鍵操做，並經過限制刪除操做執行的時長和頻率來減小刪除操做對CPU時間的影響，同時，經過按期刪除過時鍵，也有效地減小了由於過時鍵而帶來的內存浪費。

2. Redis使用的過時鍵刪除策略

Redis服務器使用的是惰性刪除策略和按期刪除策略。

2.1 惰性刪除策略的實現

過時鍵的惰性刪除策略由expireIfNeeded函數實現，全部讀寫數據庫的Redis命令在執行以前都會調用expireIfNeeded函數對輸入鍵進行檢查：

• 若是輸入鍵已通過期，那麼將輸入鍵從數據庫中刪除
• 若是輸入鍵未過時，那麼不作任何處理

以上描述可使用以下流程圖表示：

2.2 按期刪除策略的實現

過時鍵的按期刪除策略由activeExpireCycle函數實現，每當Redis服務器的週期性操做serverCron函數執行時，activeExpireCycle函數就會被調用，它在規定的時間內，分屢次遍歷服務器中的各個數據庫，從數據庫的expires字典中隨機檢查一部分鍵的過時時間，並刪除其中的過時鍵。

activeExpireCycle函數的大致流程爲：

函數每次運行時，都從必定數量的數據庫中隨機取出必定數量的鍵進行檢查，並刪除其中的過時鍵，好比先從0號數據庫開始檢查，下次函數運行時，可能就是從1號數據庫開始檢查，直到15號數據庫檢查完畢，又從新從0號數據庫開始檢查，這樣能夠保證每一個數據庫都被檢查到。

劃重點：

1. 關於按期刪除的大致流程，最近面試時有被問道，我就是按上述描述回答的。
2. 可能有的面試官還會問，每次隨機刪除哪些key呢？能夠提下LRU算法（Least Recently Used 最近最少使用），通常不會再細問，不過有興趣的同窗能夠深刻研究下。

3. RDB對過時鍵的處理

3.1 生成RDB文件

在執行SAVE命令或者BGSAVE命令建立一個新的RDB文件時，程序會對數據庫中的鍵進行檢查，已過時的鍵不會被保存到新建立的RDB文件中。

舉個例子，若是數據庫中包含3個鍵k一、k二、k3，而且k2已通過期，那麼建立新的RDB文件時，程序只會將k1和k3保存到RDB文件中，k2則會被忽略。

3.2 載入RDB文件

在啓動Redis服務器時，若是服務器只開啓了RDB持久化，那麼服務器將會載入RDB文件：

• 若是服務器以主服務器模式運行，在載入RDB文件時，程序會對文件中保存的鍵進行檢查，未過時的鍵會被載入到數據庫中，過時鍵會被忽略。

• 若是服務器以從服務器模式運行，在載入RDB文件時，文件中保存的全部鍵，不管是否過時，都會被載入到數據庫中。

  由於主從服務器在進行數據同步（完整重同步）的時候，從服務器的數據庫會被清空，因此通常狀況下，過時鍵對載入RDB文件的從服務器不會形成影響。

4. AOF對過時鍵的處理

4.1 AOF文件寫入

若是數據庫中的某個鍵已通過期，而且服務器開啓了AOF持久化功能，當過時鍵被惰性刪除或者按期刪除後，程序會向AOF文件追加一條DEL命令，顯式記錄該鍵已被刪除。

舉個例子，若是客戶端執行命令GET message訪問已通過期的message鍵，那麼服務器將執行如下3個動做：

1. 從數據庫中刪除message鍵
2. 追加一條DEL message命令到AOF文件
3. 向執行GET message命令的客戶端返回空回覆

4.2 AOF文件重寫

在執行AOF文件重寫時，程序會對數據庫中的鍵進行檢查，已過時的鍵不會被保存到重寫後的AOF文件中。

5. 複製功能對過時鍵的處理

在主從複製模式下，從服務器的過時鍵刪除動做由主服務器控制：

• 主服務器在刪除一個過時鍵後，會顯式地向全部從服務器發送一個DEL命令，告知從服務器刪除這個過時鍵。
• 從服務器在執行客戶端發送的讀命令時，即便發現該鍵已過時也不會刪除該鍵，照常返回該鍵的值。
• 從服務器只有接收到主服務器發送的DEL命令後，纔會刪除過時鍵。

6. 源碼及參考

黃健宏 《Redis設計與實現》