【Redis】内存淘汰策略和过期删除策略

一、前言

Redis是一个内存键值对数据库，所以对于内存的管理尤为重要。Redis内部对于内存的管理主要包含两个方向，过期删除策略和数据淘汰策略。由于内存有限，缓存系统必须遵循一些淘汰策略来删除一些不再需要的键，以便为新键腾出空间。在Redis中，缓存淘汰策略是由maxmemory和maxmemory-policy两个配置参数控制的。

二、淘汰策略原理

所谓数据淘汰是指在Redis内存使用达到一定阈值的时候，执行某种策略释放内存空间，以便于接收新的数据。内存可使用空间由配置参数maxmemory决定(单位mb/GB)。故又叫"最大内存删除策略"，也叫"缓存删除策略"。

1. 内存上限配置

Redis 的最大内存上限可以在配置文件 redis.conf 中配置，redis.conf 配置如下：

# maxmemory <bytes>

设置 maxmemory 为 0 表示没有内存限制。在 64 位系统中，默认是 0 无限制，但是在 32 位系统中默认是 3GB。

2. 淘汰策略配置

淘汰策略配置maxmemory-policy，表示当内存达到maxmemory时，将执行配置的淘汰策略，由redis.c/freeMemoryIfNeeded 函数实现数据淘汰逻辑。

3. maxmemory-policy配置

# maxmemory-policy noeviction

4.?freeMemoryIfNeeded逻辑处理

int freeMemoryIfNeeded(void) {
  size_t mem_used, mem_tofree, mem_freed;
  int slaves = listLength(server.slaves);

  /* Remove the size of slaves output buffers and AOF buffer from the count of used memory.*/
  // 计算出 Redis 目前占用的内存总数，但有两个方面的内存不会计算在内：
  // 1）从服务器的输出缓冲区的内存
  // 2）AOF 缓冲区的内存
  mem_used = zmalloc_used_memory();
  if (slaves) {
    listIter li;
    listNode *ln;

    listRewind(server.slaves,&li);
    while((ln = listNext(&li))) {
      redisClient *slave = listNodeValue(ln);
      unsigned long obuf_bytes = getClientOutputBufferMemoryUsage(slave);
      if (obuf_bytes > mem_used)
        mem_used = 0;
      else
        mem_used -= obuf_bytes;
    }
  }
  if (server.aof_state != REDIS_AOF_OFF) {
    mem_used -= sdslen(server.aof_buf);
    mem_used -= aofRewriteBufferSize();
  }

  /* Check if we are over the memory limit. */
  // 如果目前使用的内存大小比设置的 maxmemory 要小，那么无须执行进一步操作
  if (mem_used <= server.maxmemory) return REDIS_OK;

  // 如果占用内存比 maxmemory 要大，但是 maxmemory 策略为不淘汰，那么直接返回
  if (server.maxmemory_policy == REDIS_MAXMEMORY_NO_EVICTION)
    return REDIS_ERR; /* We need to free memory, but policy forbids. */

  /* Compute how much memory we need to free. */
  // 计算需要释放多少字节的内存
  mem_tofree = mem_used - server.maxmemory;

  // 初始化已释放内存的字节数为 0
  mem_freed = 0;

  // 根据 maxmemory 策略，
  // 遍历字典，释放内存并记录被释放内存的字节数
  while (mem_freed < mem_tofree) {
    int j, k, keys_freed = 0;

    // 遍历所有字典
    for (j = 0; j < server.dbnum; j++) {
      long bestval = 0; /* just to prevent warning */
      sds bestkey = NULL;
      dictEntry *de;
      redisDb *db = server.db+j;
      dict *dict;

      if (server.maxmemory_policy == REDIS_MAXMEMORY_ALLKEYS_LRU ||
        server.maxmemory_policy == REDIS_MAXMEMORY_ALLKEYS_RANDOM)
      {
        // 如果策略是 allkeys-lru 或者 allkeys-random 
        // 那么淘汰的目标为所有数据库键
        dict = server.db[j].dict;
      } else {
        // 如果策略是 volatile-lru 、 volatile-random 或者 volatile-ttl 
        // 那么淘汰的目标为带过期时间的数据库键
        dict = server.db[j].expires;
      }

      // 跳过空字典
      if (dictSize(dict) == 0) continue;

      /* volatile-random and allkeys-random policy */
      // 如果使用的是随机策略，那么从目标字典中随机选出键
      if (server.maxmemory_policy == REDIS_MAXMEMORY_ALLKEYS_RANDOM ||
        server.maxmemory_policy == REDIS_MAXMEMORY_VOLATILE_RANDOM)
      {
        de = dictGetRandomKey(dict);
        bestkey = dictGetKey(de);
      }

      /* volatile-lru and allkeys-lru policy */
      // 如果使用的是 LRU 策略，
      // 那么从一集 sample 键中选出 IDLE 时间最长的那个键
      else if (server.maxmemory_policy == REDIS_MAXMEMORY_ALLKEYS_LRU ||
        server.maxmemory_policy == REDIS_MAXMEMORY_VOLATILE_LRU)
      {
        struct evictionPoolEntry *pool = db->eviction_pool;

        while(bestkey == NULL) {
          evictionPoolPopulate(dict, db->dict, db->eviction_pool);
          /* Go backward from best to worst element to evict. */
          for (k = REDIS_EVICTION_POOL_SIZE-1; k >= 0; k--) {
            if (pool[k].key == NULL) continue;
            de = dictFind(dict,pool[k].key);

            /* Remove the entry from the pool. */
            sdsfree(pool[k].key);
            /* Shift all elements on its right to left. */
            memmove(pool+k,pool+k+1,
              sizeof(pool[0])*(REDIS_EVICTION_POOL_SIZE-k-1));
            /* Clear the element on the right which is empty since we shifted one position to the left.  */
            pool[REDIS_EVICTION_POOL_SIZE-1].key = NULL;
            pool[REDIS_EVICTION_POOL_SIZE-1].idle = 0;

            /* If the key exists, is our pick. Otherwise it is a ghost and we need to try the next element. */
            if (de) {
              bestkey = dictGetKey(de);
              break;
            } else {
              /* Ghost... */
              continue;
            }
          }
        }
      }

      /* volatile-ttl */
      // 策略为 volatile-ttl ，从一集 sample 键中选出过期时间距离当前时间最接近的键
      else if (server.maxmemory_policy == REDIS_MAXMEMORY_VOLATILE_TTL) {
        for (k = 0; k < server.maxmemory_samples; k++) {
          sds thiskey;
          long thisval;

          de = dictGetRandomKey(dict);
          thiskey = dictGetKey(de);
          thisval = (long) dictGetVal(de);

          /* Expire sooner (minor expire unix timestamp) is better candidate for deletion */
          if (bestkey == NULL || thisval < bestval) {
            bestkey = thiskey;
            bestval = thisval;
          }
        }
      }

      /* Finally remove the selected key. */
      // 删除被选中的键
      if (bestkey) {
        long long delta;

        robj *keyobj = createStringObject(bestkey,sdslen(bestkey));
        propagateExpire(db,keyobj);
        // 计算删除键所释放的内存数量
        delta = (long long) zmalloc_used_memory();
        dbDelete(db,keyobj);
        delta -= (long long) zmalloc_used_memory();
        mem_freed += delta;
        
        // 对淘汰键的计数器增一
        server.stat_evictedkeys++;

        notifyKeyspaceEvent(REDIS_NOTIFY_EVICTED, "evicted",
            keyobj, db->id);
        decrRefCount(keyobj);
        keys_freed++;

        /* When the memory to free starts to be big enough, we may */
        /* start spending so much time here that is impossible to */
        /* deliver data to the slaves fast enough, so we force the */
        /* transmission here inside the loop. */
        if (slaves) flushSlavesOutputBuffers();
      }
    }

    if (!keys_freed) return REDIS_ERR; /* nothing to free... */
  }

  return REDIS_OK;
}

策略例子：

maxmemory 10mb
maxmemory-policy volatile-lru

在此示例中，当Redis的内存使用达到10MB时，Redis将从过期的键中使用LRU算法进行淘汰。

三、淘汰策略分类

Redis 提供了一种内存淘汰策略，当内存不足时，Redis 会根据相应的淘汰规则对 key 数据进行淘汰。Redis 的内存淘汰策略共有 8 种具体的淘汰策略，默认的策略为 noeviction，当内存使用达到阈值的时候， 所有引起申请内存的命令会报错。8 种淘汰策略如下所示。

1. noeviction：当内存不足时，禁止淘汰数据，写入操作报错。这是 Redis 默认的内存淘汰策略。

2. volatile-lru：当内存不足时，从设置了过期时间的 key 中使用 LRU 算法，选出最近使用最少的数据进行淘汰；

3. allkeys-lru：当内存不足时，从所有 key 中使用 LRU 算法，选出最近使用最少的数据进行淘汰；

4. volatile-lfu：当内存不足时，从设置了过期时间的 key 中使用 LFU 算法，选出使用频率最低的数据进行淘汰；

5. allkeys-lfu：当内存不足时，从所有 key 中使用 LFU 算法，选出使用频率最低的数据，进行淘汰；

6. volatile-random：当内存不足时，从设置了过期时间的 key 中，随机选出数据进行淘汰；

7. allkeys-random：当内存不足时，从所有的 key 中，随机选出数据进行淘汰；

8. volatile-ttl：当内存不足时，从设置了过期时间的 key 中，选出即将过期的数据（按照过期时间的先后，选出最先过期的数据）进行淘汰；

前缀为 volatile- 和 allkeys- 的区别在于二者选择要清除的键时的字典不同，volatile- 前缀的策略表示从 redisDb 中的过期字典中选择键进行清除；allkeys- 开头的策略代表从 dict 字典中选择键进行清除。

策略中用到的两种算法：

LRU（Least Recently Used）：最近最少使用。优先淘汰使用时间最远的数据。

LFU（Least Frequently Used）：最小频率使用。优先淘汰最不常用的 Key。

淘汰策略的选择

存在冷热数据区别，即意味着访问频率存在较大差异，4.0及以上版本建议选择allkeys-lfu策略，但要设置lfu-decay-time 计数衰减值，一般默认1，这样可避免缓存污染现象；3.0及以下版本建议选择allkeys-lru策略。

LFU访问计数衰减配置???????

# The counter decay time is the time, in minutes, that must elapse in order
# for the key counter to be divided by two (or decremented if it has a value
# less <= 10).
#
# The default value for the lfu-decay-time is 1. A special value of 0 means to
# decay the counter every time it happens to be scanned.
#
lfu-decay-time 1

内存淘汰的工作步骤

• 客户端执行一条新命令，导致数据库需要增加数据（比如 set key value）；

• Redis 会检查内存使用情况，如果内存使用超过 maxmemory 设置的值，就会按照内存淘汰策略删除一些 key；

• 新的命令执行成功。

四、过期删除策略

众所周知，在Redis的实际使用过程中，为了让可贵的内存得到更高效的利用，我们提倡给每一个key配置合理的过期时间，以避免因内存不足,或因数据量过大而引发的请求响应延迟甚至是不可用等问题。

过期时间底层原理：当key设置了过期时间，Redis内部会将这个key带上过期时间放入过期字典(expires)中，当进行查询时，会先在过期字典中查询是否存在该键，若存在则与当前UNIX时间戳做对比来进行过期时间判定。

常见删除方式

定时删除：在写入key之后，根据否配置过期时间生成特定的定时器，定时器的执行时间就是具体的过期时间。用CPU性能换去内存存储空间——即用时间获取空间

定期删除：提供一个固定频率的定时器，执行时扫描所有的key进行过期检查，满足条件的就进行删除。

惰性删除：数据不做及时释放，待下一次接收到读写请求时，先进行过期检查，若已过期则直接删除。用内存存储空间换取CPU性能——即用空间换取时间。

Redis过期删除策略

由上述三种常用的删除方式对比结果可知，单独的使用任何一种方式都不能达到比较理想的结果，因此Redis的作者在设计过期删除策略的时候，结合了定期删除与惰性删除两种方式来完成。

定期删除：内部通过redis.c/activeExpireCycle函数，以一定的频率运行，每次运行从数据库中随机抽取一定数量的key进行过期检查，若检查通过，则对该数据进行删除。在2.6版本中，默认每秒10次，在2.8版本后可通过redis.config配置文件的hz属性对频率进行设置，，官方建议数值不要超过100，否则将对CPU性能有重大影响。

# The range is between 1 and 500, however a value over 100 is usually not
# a good idea. Most users should use the default of 10 and raise this up to
# 100 only in environments where very low latency is required.
hz 10

惰性删除：内部通过redis.c/expireIfNeeded函数，在每次执行读写操作指令之前，进行过期检查。若已设置过期时间且已过期，则删除该数据。

由表格可知，这两种方式的结合，能很好的解决过期数据滞留内存的问题，同时也很好的保证了数据的一致性，保证了内存使用的高效与CPU的性能。

过期删除策略引起的脏读现象

• 在单节点实例模式下，因为Redis是单线程模型，所以过期策略可以保证数据一致性。

• 在集群模式下，过期删除策略会引起脏读现象：

• • 数据的删除在主库执行，从库不会执行。对于惰性删除策略来说，3.2版本以前，从库读取数据时哪怕数据已过期还是会返回数据，3.2版本以后，则会返回空。

  • 对于定期删除策略，由于只是随机抽取了一定的数据，此时已过期但未被命中删除的数据在从库中读取会出现脏读现象。

  • 过期时间命令EX｜PX，在主从同步时，因为同步需要时间，就会导致主从库实际过期时间出现偏差。比如主库设置过期时间60s，但同步全量花费了1分钟，那么在从库接收到命令并执行之后，就导致从库key的过期时间整体跨越了两分钟，而此时主库在一分钟之前数据就已经过期了。EXAT｜PXAT 命令来设置过期时间节点。这样可避免增量同步的发生。但需注意主从服务器时间一致。

在实际使用过程中，过期时间配置只是一种常规手段，当key的数量在短时间内突增，就有可能导致内存不够用。此时就需要依赖于Redis内部提供的淘汰策略来进一步的保证服务的可用性。