瞭解Redis過時策略及實現原理

大約閱讀4分鐘，寫於 2021 0408 22：33 牀前書桌檯燈下

若是你使用過 redis，那你必定知道過時策略這個命令吧，若是讓你設計一個過時鍵接口，你有什麼想法？

咱們在使用 redis 時，通常會設置一個過時時間，固然也有不設置過時時間的，也就是永久不過時。

當咱們設置了過時時間，redis 是如何判斷是否過時，以及根據什麼策略來進行刪除的。

redis 設置過時時間：
expire key time(以秒爲單位) – 這是最經常使用的方式
setex(String key, int seconds, String value) – 字符串獨有的方式

除了字符串本身獨有設置過時時間的方法外，其餘方法都須要依靠 expire 方法來設置時間

若是沒有設置時間，那緩存就是永不過時

若是設置了過時時間，以後又想讓緩存永不過時，使用 persist key

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三種過時策略：

目錄：

文章目錄

• • • 定時刪除
    • 懶漢式式刪除
    • 按期刪除
    • Redis 採用的過時策略
    • • 總結

定時刪除

1. 含義：在設置 key 的過時時間的同時，爲該 key 建立一個定時器，讓定時器在 key 的過時時間來臨時，對 key 進行刪除

2. 優勢：保證內存被儘快釋放

3. 缺點：若過時 key 不少，刪除這些 key 會佔用不少的 CPU 時間，在 CPU 時間緊張的狀況下， CPU 不能把全部的時間用來作要緊的事兒，還須要去花時間刪除這些 key，定時器的建立耗時，若爲每個設置過時時間的 key 建立一個定時器（將會有大量的定時器產生），性能影響嚴重。

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懶漢式式刪除

1. 含義：key 過時的時候不刪除，每次經過 key 獲取值的時候去檢查是否過時，若過時，則刪除，返回 null。
2. 優勢：刪除操做只發生在經過 key 取值的時候發生，並且只刪除當前 key，因此對 CPU 時間的佔用是比較少的，並且此時的刪除是已經到了非作不可的地步（若是此時還不刪除的話，咱們就會獲取到了已通過期的 key 了）
3. 缺點：若大量的 key 在超出超時時間後，好久一段時間內，都沒有被獲取過，那麼可能發生內存泄露（無用的垃圾佔用了大量的內存）

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按期刪除

1. 含義：每隔一段時間執行一次刪除過時 key 操做
2. 優勢：經過限制刪除操做的時長和頻率，來減小刪除操做對 CPU 時間的佔用–處理 「定時刪除」 的缺點
3. 缺點：在內存友好方面，不如 」定時刪除」（會形成必定的內存佔用，可是沒有懶漢式那麼佔用內存） 在 CPU 時間友好方面，不如 」懶漢式刪除」（會按期的去進行比較和刪除操做，cpu 方面不如懶漢式，可是比定時好）
4. 難點：合理設置刪除操做的執行時長（每次刪除執行多長時間）和執行頻率（每隔多長時間作一次刪除）（這個要根據服務器運行狀況來定了），每次執行時間太長，或者執行頻率過高對 cpu 都是一種壓力。每次進行按期刪除操做執行以後，須要記錄遍歷循環到了哪一個標誌位，以便下一次按期時間來時，從上次位置開始進行循環遍歷
5. 說明：memcached 只是用了惰性刪除，而 redis 同時使用了惰性刪除與按期刪除，這也是兩者的一個不一樣點（能夠看作是 redis 優於 memcached 的一點）；對於懶漢式刪除而言，並非只有獲取 key 的時候纔會檢查 key 是否過時，在某些設置 key 的方法上也會檢查（eg.setnx key2 value2：該方法相似於 memcached 的 add 方法，若是設置的 key2 已經存在，那麼該方法返回false，什麼都不作；若是設置的 key2 不存在，那麼該方法設置緩存 key2-value2。假設調用此方法的時候，發現 redis 中已經存在了 key2，可是該key2已通過期了，若是此時不執行刪除操做的話，setnx方法將會直接返回false，也就是說此時並無從新設置 key2-value2 成功，因此對於必定要在 setnx 執行以前，對 key2 進行過時檢查）。

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Redis 採用的過時策略

• 懶漢式刪除+按期刪除

懶漢式刪除流程：

1. 在進行 get 或 setnx 等操做時，先檢查 key 是否過時；
2. 若過時，刪除 key，而後執行相應操做；
3. 若沒過時，直接執行相應操做；
4. 按期刪除流程（簡單而言，對指定個數個庫的每個庫隨機刪除小於等於指定個數個過時 key）：
5. 遍歷每一個數據庫（就是 redis.conf 中配置的 」database」 數量，默認爲 16）
6. 檢查當前庫中的指定個數個 key（默認是每一個庫檢查 20 個 key，注意至關於該循環執行 20 次，循環體是下邊的描述）
7. 若是當前庫中沒有一個 key 設置了過時時間，直接執行下一個庫的遍歷
8. 隨機獲取一個設置了過時時間的 key，檢查該key是否過時，若是過時，刪除 key
9. 判判定期刪除操做是否已經達到指定時長，若已經達到，直接退出按期刪除。

對於按期刪除，在程序中有一個全局變量 current_db 來記錄下一個將要遍歷的庫，假設有 16 個庫，咱們這一次按期刪除遍歷了 10 個，那此時的 current_db 就是 11，下一次按期刪除就從第11個庫開始遍歷，假設 current_db 等於 15 了，那麼以後遍歷就再從 0 號庫開始（此時 current_db==0）

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總結

在實際中，若是咱們要本身設計過時策略， 在使用 懶漢式刪除+按期刪除 時，控制時長和頻率這個尤其關鍵，須要結合服務器性能，以及併發量等狀況進行調整，以至最佳。

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Redis 有四個不一樣的命令能夠用於設置鍵的生存時間（鍵能夠存在多久）或過時時間（鍵何時會被刪除）：

EXPIRE＜key＞＜ttl＞命令用於將鍵 key 的生存時間設置爲 ttl 秒。

PEXPIRE＜key＞＜ttl＞ 命令用於將鍵 key 的生存時間設置爲 ttl 毫秒。

EXPIREAT＜key＞＜timestamp＞ 命令用於將鍵 key 的過時時間設置爲 timestamp 所指定的秒數時間戳。

PEXPIREAT＜key＞＜timestamp＞ 命令用於將鍵 key 的過時時間設置爲 timestamp 所指定的毫秒數時間戳。

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原理：

雖然有多種不一樣單位和不一樣形式的設置命令，但實際上 EXPIRE、PEXPIRE、EXPIREAT 三個命令都是使用PEXPIREAT 命令來實現的：不管客戶端執行的是以上四個命令中的哪個，通過轉換以後，最終的執行效果都和執行 PEXPIREAT 命令同樣。

redisDb 結構的 expires 字典保存了數據庫中全部鍵的過時時間，咱們稱這個字典爲過時字典

過時字典的鍵是一個指針，這個指針指向鍵空間中的某個鍵對象（也便是某個數據庫鍵）。

過時字典的值是一個 long long 類型的整數，這個整數保存了鍵所指向的數據庫鍵的過時時間——一個毫秒精度的 UNIX 時間戳。

下圖展現了一個帶有過時字典的數據庫例子，在這個例子中，鍵空間保存了數據庫中的全部鍵值對，而過時字典則保存了數據庫鍵的過時時間。

爲了展現方便，圖中的鍵空間和過時字典中重複出現了兩次 alphabet 鍵對象和 book 鍵對象。在實際中，鍵空間的鍵和過時字典的鍵都指向同一個鍵對象，因此不會出現任何重複對象，也不會浪費任何空間。

圖中的過時字典保存了兩個鍵值對：

第一個鍵值對的鍵爲 alphabet 鍵對象，值爲1385877600000，這表示數據庫鍵 alphabet 的過時時間爲1385877600000（2013年12月1日零時）。

第二個鍵值對的鍵爲 book 鍵對象，值爲 1388556000000，這表示數據庫鍵 book 的過時時間爲1388556000000（2014年1月1日零時）。當客戶端執行 PEXPIREAT 命令（或者其餘三個會轉換成 PEXPIREAT 命令的命令）爲一個數據庫鍵設置過時時間時，服務器會在數據庫的過時字典中關聯給定的數據庫鍵和過時時間。

在服務器執行如下命令以後

過時字典將新增一個鍵值對，其中鍵爲 message 鍵對象，而值則爲 1391234400000（2014年2月1日零時），如圖​：

如下是 PEXPIREAT 命令的僞代碼定義

PERSIST 命令能夠移除一個鍵的過時時間

PERSIST 命令就是 PEXPIREAT 命令的反操做：PERSIST 命令在過時字典中查找給定的鍵，並解除鍵和值（過時時間）在過時字典中的關聯。

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過時鍵的斷定

經過過時字典，程序能夠用如下步驟檢查一個給定鍵是否過時：

1. 檢查給定鍵是否存在於過時字典：若是存在，那麼取得鍵的過時時間。
2. 檢查當前UNIX時間戳是否大於鍵的過時時間：若是是的話，那麼鍵已通過期；不然的話，鍵未過時。能夠用僞代碼來描述這一過程：