Redis缓存过期和淘汰策略

2024-11-23 来源：个人技术集锦

Redis性能高：
5.x版本官方数据
读：110000次/s
写：81000次/s
长期使用，key会不断增加，Redis作为缓存使用，物理内存也会满
内存与硬盘交换（swap）虚拟内存，频繁IO 性能急剧下降

maxmemory

不设置的场景

Redis的key是固定的，不会增加

Redis作为DB使用，保证数据的完整性，不能淘汰，可以做集群，横向扩展

缓存淘汰策略：禁止驱逐（默认）

设置的场景
Redis是作为缓存使用，不断增加Key

maxmemory ：默认为0 不限制

问题：达到物理内存后性能急剧下架，甚至崩溃

内存与硬盘交换（swap）虚拟内存，频繁IO 性能急剧下降

设置多少？
与业务有关

1个Redis实例，保证系统运行 1 G ，剩下的就都可以设置Redis

物理内存的3/4

slaver ：留出一定的内存

在redis.conf中

maxmemory 1024mb

命令：获得maxmemory数

127.0.0.1:6379> CONFIG GET maxmemory
1) "maxmemory"
2) "0"

设置maxmemory后，当趋近maxmemory时，通过缓存淘汰策略，从内存中删除对象

不设置maxmemory 无最大内存限制 maxmemory-policy noeviction （禁止驱逐）不淘汰

设置maxmemory maxmemory-policy 要配置

expire数据结构

在Redis中可以使用expire命令设置一个键的存活时间(ttl: time to live)，过了这段时间，该键就会自动被删除。

expire的使用

expire命令的使用方法如下：
expire key ttl(单位秒)

127.0.0.1:6379> expire name 2 #2秒失效
(integer) 1
127.0.0.1:6379> get name
(nil)
127.0.0.1:6379> set name zhangfei
OK
127.0.0.1:6379> ttl name #永久有效
(integer) -1
127.0.0.1:6379> expire name 30 #30秒失效
(integer) 1
127.0.0.1:6379> ttl name #还有24秒失效
(integer) 24
127.0.0.1:6379> ttl name #失效
(integer) -2

expire原理

typedef struct redisDb {
    dict *dict;                 /* The keyspace for this DB */
    dict *expires;              /* Timeout of keys with a timeout set */
    dict *blocking_keys;        /* Keys with clients waiting for data (BLPOP)*/
    dict *ready_keys;           /* Blocked keys that received a PUSH */
    dict *watched_keys;         /* WATCHED keys for MULTI/EXEC CAS */
    int id;                     /* Database ID */
    long long avg_ttl;          /* Average TTL, just for stats */
    unsigned long expires_cursor; /* Cursor of the active expire cycle. */
    list *defrag_later;         /* List of key names to attempt to defrag one by one, gradually. */
} redisDb;

上面的代码是Redis 中关于数据库的结构体定义，这个结构体定义中除了 id 以外都是指向字典的指针，其中我们只看 dict 和 expires。

dict 用来维护一个 Redis 数据库中包含的所有 Key-Value 键值对，expires则用于维护一个 Redis 数据库中设置了失效时间的键(即key与失效时间的映射)。
当我们使用 expire命令设置一个key的失效时间时，Redis 首先到 dict 这个字典表中查找要设置的key是否存在，如果存在就将这个key和失效时间添加到 expires 这个字典表。
当我们使用 setex命令向系统插入数据时，Redis 首先将 Key 和 Value 添加到 dict 这个字典表中，然后将 Key 和失效时间添加到 expires 这个字典表中。
简单地总结来说就是，设置了失效时间的key和具体的失效时间全部都维护在 expires 这个字典表中。

删除策略

Redis的数据删除有定时删除、惰性删除和主动删除三种方式。
Redis目前采用惰性删除+主动删除的方式。

定时删除

在设置键的过期时间的同时，创建一个定时器，让定时器在键的过期时间来临时，立即执行对键的删除操作。

需要创建定时器，而且消耗CPU，一般不推荐使用。

惰性删除

在key被访问时如果发现它已经失效，那么就删除它。

调用expireIfNeeded函数，该函数的意义是：读取数据之前先检查一下它有没有失效，如果失效了就删除它。


/* Check if the key is expired. */
int keyIsExpired(redisDb *db, robj *key) {
// 获取主键的失效时间 get当前时间-创建时间>ttl
    mstime_t when = getExpire(db,key);
    mstime_t now;

	//假如失效时间为负数，说明该主键未设置失效时间（失效时间默认为-1），直接返回0
    if (when < 0) return 0; /* No expire for this key */
	//假如Redis服务器正在从RDB文件中加载数据，暂时不进行失效主键的删除，直接返回0
    /* Don't expire anything while loading. It will be done later. */
    if (server.loading) return 0;

    if (server.lua_caller) {
        now = server.lua_time_start;
    }

    else if (server.fixed_time_expire > 0) {
        now = server.mstime;
    }
    /* For the other cases, we want to use the most fresh time we have. */
    else {
        now = mstime();
    }
	//如果以上条件都不满足，就将主键的失效时间与当前时间进行对比，如果发现指定的主键
	//还未失效就直接返回0
    return now > when;
}


int expireIfNeeded(redisDb *db, robj *key) {
    
    if (!keyIsExpired(db,key)) return 0;


    if (server.masterhost != NULL) return 1;

    /* Delete the key */
    //如果发现主键确实已经失效了，那么首先更新关于失效主键的统计个数，然后将该主键失
	//效的信息进行广播，最后将该主键从数据库中删除
    server.stat_expiredkeys++;
    propagateExpire(db,key,server.lazyfree_lazy_expire);
    notifyKeyspaceEvent(NOTIFY_EXPIRED,
        "expired",key,db->id);
    int retval = server.lazyfree_lazy_expire ? dbAsyncDelete(db,key) :
                                               dbSyncDelete(db,key);
    if (retval) signalModifiedKey(NULL,db,key);
    return retval;
}

主动删除

在redis.conf文件中可以配置主动删除策略,默认是no-enviction（不删除）

maxmemory-policy allkeys-lru

LRU

LRU (Least recently used) 最近最少使用，算法根据数据的历史访问记录来进行淘汰数据，其核心思想是“如果数据最近被访问过，那么将来被访问的几率也更高”。
最常见的实现是使用一个链表保存缓存数据，详细算法实现如下：

让我们以用户信息的需求为例，来演示一下LRU算法的基本思路：

假设我们使用哈希链表来缓存用户信息，目前缓存了4个用户，这4个用户是按照时间顺序依次从链表右端插入的。
此时，业务方访问用户5，由于哈希链表中没有用户5的数据，我们从数据库中读取出来，插入到缓存当中。这时候，链表中最右端是最新访问到的用户5，最左端是最近最少访问的用户1。
接下来，业务方访问用户2，哈希链表中存在用户2的数据，我们怎么做呢？我们把用户2从它的前驱节点和后继节点之间移除，重新插入到链表最右端。这时候，链表中最右端变成了最新访问到的用户2，最左端仍然是最近最少访问的用户1。
接下来，业务方请求修改用户4的信息。同样道理，我们把用户4从原来的位置移动到链表最右侧，并把用户信息的值更新。这时候，链表中最右端是最新访问到的用户4，最左端仍然是最近最少访问的用户1。
业务访问用户6，用户6在缓存里没有，需要插入到哈希链表。假设这时候缓存容量已经达到上限，必须先删除最近最少访问的数据，那么位于哈希链表最左端的用户1就会被删除掉，然后再把用户6插入到最右端。

Redis的LRU 数据淘汰机制

在服务器配置中保存了 lru 计数器 server.lrulock，会定时（redis 定时程序 serverCorn()）更新，server.lrulock 的值是根据 server.unixtime 计算出来的。

另外，从 struct redisObject 中可以发现，每一个 redis 对象都会设置相应的 lru。可以想象的是，每一次访问数据的时候，会更新 redisObject.lru。

LRU 数据淘汰机制是这样的：在数据集中随机挑选几个键值对，取出其中 lru 最大的键值对淘汰。不可能遍历key 用当前时间-最近访问越大说明访问间隔时间越长

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
allkeys-lru
从数据集（server.db[i].dict）中挑选最近最少使用的数据淘汰

LFU

LFU (Least frequently used) 最不经常使用，如果一个数据在最近一段时间内使用次数很少，那么在将来一段时间内被使用的可能性也很小。

volatile-lfu
allkeys-lfu

random

随机

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
allkeys-random
从数据集（server.db[i].dict）中任意选择数据淘汰

ttl

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redis 数据集数据结构中保存了键值对过期时间的表，即 redisDb.expires。
TTL 数据淘汰机制：从过期时间的表中随机挑选几个键值对，取出其中 ttl 最小的键值对淘汰。

noenviction

禁止驱逐数据，不删除默认

缓存淘汰策略的选择

allkeys-lru ：在不确定时一般采用策略。冷热数据交换
volatile-lru ：比allkeys-lru性能差存 : 过期时间
allkeys-random ：希望请求符合平均分布(每个元素以相同的概率被访问)
自己控制：volatile-ttl 可以解决存穿透问题

redis作为DB使用的时候

字典库： Redis做DB使用，要保证数据的完整性
maxmemory设置较小，采用allkeys-lru，会对没有经常访问的字典库随机淘汰，当再次访问时会缓存击穿，请求会打到DB上。
解决方案：
1、不设置maxmemory
2、使用noenviction策略
Redis是作为DB使用的，要保证数据的完整性，所以不能删除数据。
可以将原始数据源（XML）在系统启动时一次性加载到Redis中。
Redis做主从+哨兵保证高可用

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