Redis中的数据过期策略详解

2024-03-05 02:33:05 49

1、Redis中key的的过期时间

通过EXPIREkeyseconds命令来设置数据的过期时间。返回1表明设置成功，返回0表明key不存在或者不能成功设置过期时间。在key上设置了过期时间后key将在指定的秒数后被自动删除。被指定了过期时间的key在Redis中被称为是不稳定的。

当key被DEL命令删除或者被SET、GETSET命令重置后与之关联的过期时间会被清除

127.0.0.1:6379>setexs201
OK
127.0.0.1:6379>ttls
(integer)17
127.0.0.1:6379>setexs2001
OK
127.0.0.1:6379>ttls
(integer)195
127.0.0.1:6379>setranges3100
(integer)6
127.0.0.1:6379>ttls
(integer)152
127.0.0.1:6379>gets
"1\x00\x00100"
127.0.0.1:6379>ttls
(integer)108
127.0.0.1:6379>getsets200
"1\x00\x00100"
127.0.0.1:6379>gets
"200"
127.0.0.1:6379>ttls
(integer)-1

使用PERSIST可以清除过期时间

127.0.0.1:6379>setexs100test
OK
127.0.0.1:6379>gets
"test"
127.0.0.1:6379>ttls
(integer)94
127.0.0.1:6379>types
string
127.0.0.1:6379>strlens
(integer)4
127.0.0.1:6379>persists
(integer)1
127.0.0.1:6379>ttls
(integer)-1
127.0.0.1:6379>gets
"test"

使用rename只是改了key值

127.0.0.1:6379>expires200
(integer)1
127.0.0.1:6379>ttls
(integer)198
127.0.0.1:6379>renamesss
OK
127.0.0.1:6379>ttlss
(integer)187
127.0.0.1:6379>typess
string
127.0.0.1:6379>getss
"test"

说明：Redis2.6以后expire精度可以控制在0到1毫秒内，key的过期信息以绝对Unix时间戳的形式存储（Redis2.6之后以毫秒级别的精度存储），所以在多服务器同步的时候，一定要同步各个服务器的时间

2、Redis过期键删除策略

Rediskey过期的方式有三种：

被动删除：当读/写一个已经过期的key时，会触发惰性删除策略，直接删除掉这个过期key
主动删除：由于惰性删除策略无法保证冷数据被及时删掉，所以Redis会定期主动淘汰一批已过期的key
当前已用内存超过maxmemory限定时，触发主动清理策略

被动删除

只有key被操作时(如GET)，REDIS才会被动检查该key是否过期，如果过期则删除之并且返回NIL。

1、这种删除策略对CPU是友好的，删除操作只有在不得不的情况下才会进行，不会其他的expirekey上浪费无谓的CPU时间。

2、但是这种策略对内存不友好，一个key已经过期，但是在它被操作之前不会被删除，仍然占据内存空间。如果有大量的过期键存在但是又很少被访问到，那会造成大量的内存空间浪费。expireIfNeeded(redisDb*db,robj*key)函数位于src/db.c。

/*-----------------------------------------------------------------------------
*ExpiresAPI
*----------------------------------------------------------------------------*/

intremoveExpire(redisDb*db,robj*key){
/*Anexpiremayonlyberemovedifthereisacorrespondingentryinthe
*maindict.Otherwise,thekeywillneverbefreed.*/
redisAssertWithInfo(NULL,key,dictFind(db->dict,key->ptr)!=NULL);
returndictDelete(db->expires,key->ptr)==DICT_OK;
}

voidsetExpire(redisDb*db,robj*key,longlongwhen){
dictEntry*kde,*de;

/*Reusethesdsfromthemaindictintheexpiredict*/
kde=dictFind(db->dict,key->ptr);
redisAssertWithInfo(NULL,key,kde!=NULL);
de=dictReplaceRaw(db->expires,dictGetKey(kde));
dictSetSignedIntegerVal(de,when);
}

/*Returntheexpiretimeofthespecifiedkey,or-1ifnoexpire
*isassociatedwiththiskey(i.e.thekeyisnonvolatile)*/
longlonggetExpire(redisDb*db,robj*key){
dictEntry*de;

/*Noexpire?returnASAP*/
if(dictSize(db->expires)==0||
(de=dictFind(db->expires,key->ptr))==NULL)return-1;

/*Theentrywasfoundintheexpiredict,thismeansitshouldalso
*bepresentinthemaindict(safetycheck).*/
redisAssertWithInfo(NULL,key,dictFind(db->dict,key->ptr)!=NULL);
returndictGetSignedIntegerVal(de);
}

/*PropagateexpiresintoslavesandtheAOFfile.
*Whenakeyexpiresinthemaster,aDELoperationforthiskeyissent
*toalltheslavesandtheAOFfileifenabled.
*
*Thiswaythekeyexpiryiscentralizedinoneplace,andsinceboth
*AOFandthemaster->slavelinkguaranteeoperationordering,everything
*willbeconsistentevenifweallowwriteoperationsagainstexpiring
*keys.*/
voidpropagateExpire(redisDb*db,robj*key){
robj*argv[2];

argv[0]=shared.del;
argv[1]=key;
incrRefCount(argv[0]);
incrRefCount(argv[1]);

if(server.aof_state!=REDIS_AOF_OFF)
feedAppendOnlyFile(server.delCommand,db->id,argv,2);
replicationFeedSlaves(server.slaves,db->id,argv,2);

decrRefCount(argv[0]);
decrRefCount(argv[1]);
}

intexpireIfNeeded(redisDb*db,robj*key){
mstime_twhen=getExpire(db,key);
mstime_tnow;

if(when<0)return0;/*Noexpireforthiskey*//*Don'texpireanythingwhileloading.Itwillbedonelater.*/if(server.loading)return0;/*IfweareinthecontextofaLuascript,weclaimthattimeis*blockedtowhentheLuascriptstarted.Thiswayakeycanexpire*onlythefirsttimeitisaccessedandnotinthemiddleofthe*scriptexecution,makingpropagationtoslaves/AOFconsistent.*Seeissue#1525onGithubformoreinformation.*/now=server.lua_caller?server.lua_time_start:mstime();/*Ifwearerunninginthecontextofaslave,returnASAP:*theslavekeyexpirationiscontrolledbythemasterthatwill*sendussynthesizedDELoperationsforexpiredkeys.**Stillwetrytoreturntherightinformationtothecaller,*thatis,0ifwethinkthekeyshouldbestillvalid,1if*wethinkthekeyisexpiredatthistime.*/if(server.masterhost!=NULL)returnnow>when;

/*Returnwhenthiskeyhasnotexpired*/
if(now<=when)return0;/*Deletethekey*/server.stat_expiredkeys++;propagateExpire(db,key);notifyKeyspaceEvent(REDIS_NOTIFY_EXPIRED,"expired",key,db->id);
returndbDelete(db,key);
}

/*-----------------------------------------------------------------------------
*ExpiresCommands
*----------------------------------------------------------------------------*/

/*ThisisthegenericcommandimplementationforEXPIRE,PEXPIRE,EXPIREAT
*andPEXPIREAT.Becausethecommadsecondargumentmayberelativeorabsolute
*the"basetime"argumentisusedtosignalwhatthebasetimeis(either0
*for*ATvariantsofthecommand,orthecurrenttimeforrelativeexpires).
*
*unitiseitherUNIT_SECONDSorUNIT_MILLISECONDS,andisonlyusedfor
*theargv[2]parameter.Thebasetimeisalwaysspecifiedinmilliseconds.*/
voidexpireGenericCommand(redisClient*c,longlongbasetime,intunit){
robj*key=c->argv[1],*param=c->argv[2];
longlongwhen;/*unixtimeinmillisecondswhenthekeywillexpire.*/

if(getLongLongFromObjectOrReply(c,param,&when,NULL)!=REDIS_OK)
return;

if(unit==UNIT_SECONDS)when*=1000;
when+=basetime;

/*Nokey,returnzero.*/
if(lookupKeyRead(c->db,key)==NULL){
addReply(c,shared.czero);
return;
}

/*EXPIREwithnegativeTTL,orEXPIREATwithatimestampintothepast
*shouldneverbeexecutedasaDELwhenloadtheAOForinthecontext
*ofaslaveinstance.
*
*InsteadwetaketheotherbranchoftheIFstatementsettinganexpire
*(possiblyinthepast)andwaitforanexplicitDELfromthemaster.*/
if(when<=mstime()&&!server.loading&&!server.masterhost){robj*aux;redisAssertWithInfo(c,key,dbDelete(c->db,key));
server.dirty++;

/*Replicate/AOFthisasanexplicitDEL.*/
aux=createStringObject("DEL",3);
rewriteClientCommandVector(c,2,aux,key);
decrRefCount(aux);
signalModifiedKey(c->db,key);
notifyKeyspaceEvent(REDIS_NOTIFY_GENERIC,"del",key,c->db->id);
addReply(c,shared.cone);
return;
}else{
setExpire(c->db,key,when);
addReply(c,shared.cone);
signalModifiedKey(c->db,key);
notifyKeyspaceEvent(REDIS_NOTIFY_GENERIC,"expire",key,c->db->id);
server.dirty++;
return;
}
}

voidexpireCommand(redisClient*c){
expireGenericCommand(c,mstime(),UNIT_SECONDS);
}

voidexpireatCommand(redisClient*c){
expireGenericCommand(c,0,UNIT_SECONDS);
}

voidpexpireCommand(redisClient*c){
expireGenericCommand(c,mstime(),UNIT_MILLISECONDS);
}

voidpexpireatCommand(redisClient*c){
expireGenericCommand(c,0,UNIT_MILLISECONDS);
}

voidttlGenericCommand(redisClient*c,intoutput_ms){
longlongexpire,ttl=-1;

/*Ifthekeydoesnotexistatall,return-2*/
if(lookupKeyRead(c->db,c->argv[1])==NULL){
addReplyLongLong(c,-2);
return;
}
/*Thekeyexists.Return-1ifithasnoexpire,ortheactual
*TTLvalueotherwise.*/
expire=getExpire(c->db,c->argv[1]);
if(expire!=-1){
ttl=expire-mstime();
if(ttl<0)ttl=0;}if(ttl==-1){addReplyLongLong(c,-1);}else{addReplyLongLong(c,output_ms?ttl:((ttl+500)/1000));}}voidttlCommand(redisClient*c){ttlGenericCommand(c,0);}voidpttlCommand(redisClient*c){ttlGenericCommand(c,1);}voidpersistCommand(redisClient*c){dictEntry*de;de=dictFind(c->db->dict,c->argv[1]->ptr);
if(de==NULL){
addReply(c,shared.czero);
}else{
if(removeExpire(c->db,c->argv[1])){
addReply(c,shared.cone);
server.dirty++;
}else{
addReply(c,shared.czero);
}
}
}

但仅是这样是不够的，因为可能存在一些key永远不会被再次访问到，这些设置了过期时间的key也是需要在过期后被删除的，我们甚至可以将这种情况看作是一种内存泄露----无用的垃圾数据占用了大量的内存，而服务器却不会自己去释放它们，这对于运行状态非常依赖于内存的Redis服务器来说，肯定不是一个好消息

主动删除

先说一下时间事件，对于持续运行的服务器来说，服务器需要定期对自身的资源和状态进行必要的检查和整理，从而让服务器维持在一个健康稳定的状态，这类操作被统称为常规操作（cronjob）

在Redis中，常规操作由redis.c/serverCron实现，它主要执行以下操作

更新服务器的各类统计信息，比如时间、内存占用、数据库占用情况等。
清理数据库中的过期键值对。
对不合理的数据库进行大小调整。
关闭和清理连接失效的客户端。
尝试进行AOF或RDB持久化操作。
如果服务器是主节点的话，对附属节点进行定期同步。
如果处于集群模式的话，对集群进行定期同步和连接测试。

Redis将serverCron作为时间事件来运行，从而确保它每隔一段时间就会自动运行一次，又因为serverCron需要在Redis服务器运行期间一直定期运行，所以它是一个循环时间事件：serverCron会一直定期执行，直到服务器关闭为止。

在Redis2.6版本中，程序规定serverCron每秒运行10次，平均每100毫秒运行一次。从Redis2.8开始，用户可以通过修改hz选项来调整serverCron的每秒执行次数，具体信息请参考redis.conf文件中关于hz选项的说明

也叫定时删除，这里的“定期”指的是Redis定期触发的清理策略，由位于src/redis.c的activeExpireCycle(void)函数来完成。

serverCron是由redis的事件框架驱动的定位任务，这个定时任务中会调用activeExpireCycle函数，针对每个db在限制的时间REDIS_EXPIRELOOKUPS_TIME_LIMIT内迟可能多的删除过期key，之所以要限制时间是为了防止过长时间的阻塞影响redis的正常运行。这种主动删除策略弥补了被动删除策略在内存上的不友好。

因此，Redis会周期性的随机测试一批设置了过期时间的key并进行处理。测试到的已过期的key将被删除。

典型的方式为,Redis每秒做10次如下的步骤：

随机测试100个设置了过期时间的key
删除所有发现的已过期的key
若删除的key超过25个则重复步骤1

这是一个基于概率的简单算法，基本的假设是抽出的样本能够代表整个key空间，redis持续清理过期的数据直至将要过期的key的百分比降到了25%以下。这也意味着在任何给定的时刻已经过期但仍占据着内存空间的key的量最多为每秒的写操作量除以4.

Redis-3.0.0中的默认值是10，代表每秒钟调用10次后台任务。

除了主动淘汰的频率外，Redis对每次淘汰任务执行的最大时长也有一个限定，这样保证了每次主动淘汰不会过多阻塞应用请求，以下是这个限定计算公式：

#defineACTIVE_EXPIRE_CYCLE_SLOW_TIME_PERC25/*CPUmax%forkeyscollection*/
...
timelimit=1000000*ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_SLOW_TIME_PERC/server.hz/100;

hz调大将会提高Redis主动淘汰的频率，如果你的Redis存储中包含很多冷数据占用内存过大的话，可以考虑将这个值调大，但Redis作者建议这个值不要超过100。我们实际线上将这个值调大到100，观察到CPU会增加2%左右，但对冷数据的内存释放速度确实有明显的提高（通过观察keyspace个数和used_memory大小）。

可以看出timelimit和server.hz是一个倒数的关系，也就是说hz配置越大，timelimit就越小。换句话说是每秒钟期望的主动淘汰频率越高，则每次淘汰最长占用时间就越短。这里每秒钟的最长淘汰占用时间是固定的250ms（1000000*ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_SLOW_TIME_PERC/100），而淘汰频率和每次淘汰的最长时间是通过hz参数控制的。

从以上的分析看，当redis中的过期key比率没有超过25%之前，提高hz可以明显提高扫描key的最小个数。假设hz为10，则一秒内最少扫描200个key（一秒调用10次*每次最少随机取出20个key），如果hz改为100，则一秒内最少扫描2000个key；另一方面，如果过期key比率超过25%，则扫描key的个数无上限，但是cpu时间每秒钟最多占用250ms。

当REDIS运行在主从模式时，只有主结点才会执行上述这两种过期删除策略，然后把删除操作”delkey”同步到从结点。

maxmemory

当前已用内存超过maxmemory限定时，触发主动清理策略

volatile-lru：只对设置了过期时间的key进行LRU（默认值）
allkeys-lru：删除lru算法的key
volatile-random：随机删除即将过期key
allkeys-random：随机删除
volatile-ttl：删除即将过期的
noeviction：永不过期，返回错误当mem_used内存已经超过maxmemory的设定，对于所有的读写请求，都会触发redis.c/freeMemoryIfNeeded(void)函数以清理超出的内存。注意这个清理过程是阻塞的，直到清理出足够的内存空间。所以如果在达到maxmemory并且调用方还在不断写入的情况下，可能会反复触发主动清理策略，导致请求会有一定的延迟。

当mem_used内存已经超过maxmemory的设定，对于所有的读写请求，都会触发redis.c/freeMemoryIfNeeded(void)函数以清理超出的内存。注意这个清理过程是阻塞的，直到清理出足够的内存空间。所以如果在达到maxmemory并且调用方还在不断写入的情况下，可能会反复触发主动清理策略，导致请求会有一定的延迟。

清理时会根据用户配置的maxmemory-policy来做适当的清理（一般是LRU或TTL），这里的LRU或TTL策略并不是针对redis的所有key，而是以配置文件中的maxmemory-samples个key作为样本池进行抽样清理。

maxmemory-samples在redis-3.0.0中的默认配置为5，如果增加，会提高LRU或TTL的精准度，redis作者测试的结果是当这个配置为10时已经非常接近全量LRU的精准度了，并且增加maxmemory-samples会导致在主动清理时消耗更多的CPU时间，建议：

尽量不要触发maxmemory，最好在mem_used内存占用达到maxmemory的一定比例后，需要考虑调大hz以加快淘汰，或者进行集群扩容。
如果能够控制住内存，则可以不用修改maxmemory-samples配置；如果Redis本身就作为LRUcache服务（这种服务一般长时间处于maxmemory状态，由Redis自动做LRU淘汰），可以适当调大maxmemory-samples。

以下是上文中提到的配置参数的说明

#Rediscallsaninternalfunctiontoperformmanybackgroundtasks,like
#closingconnectionsofclientsintimeout,purgingexpiredkeysthatare
#neverrequested,andsoforth.
#
#Notalltasksareperformedwiththesamefrequency,butRedischecksfor
#taskstoperformaccordingtothespecified"hz"value.
#
#Bydefault"hz"issetto10.RaisingthevaluewillusemoreCPUwhen
#Redisisidle,butatthesametimewillmakeRedismoreresponsivewhen
#therearemanykeysexpiringatthesametime,andtimeoutsmaybe
#handledwithmoreprecision.
#
#Therangeisbetween1and500,howeveravalueover100isusuallynot
#agoodidea.Mostusersshouldusethedefaultof10andraisethisupto
#100onlyinenvironmentswhereverylowlatencyisrequired.
hz10

#MAXMEMORYPOLICY:howRediswillselectwhattoremovewhenmaxmemory
#isreached.Youcanselectamongfivebehaviors:
#
#volatile-lru->removethekeywithanexpiresetusinganLRUalgorithm
#allkeys-lru->removeanykeyaccordingtotheLRUalgorithm
#volatile-random->removearandomkeywithanexpireset
#allkeys-random->removearandomkey,anykey
#volatile-ttl->removethekeywiththenearestexpiretime(minorTTL)
#noeviction->don'texpireatall,justreturnanerroronwriteoperations
#
#Note:withanyoftheabovepolicies,Rediswillreturnanerroronwrite
#operations,whentherearenosuitablekeysforeviction.
#
#Atthedateofwritingthesecommandsare:setsetnxsetexappend
#incrdecrrpushlpushrpushxlpushxlinsertlsetrpoplpushsadd
#sintersinterstoresunionsunionstoresdiffsdiffstorezaddzincrby
#zunionstorezinterstorehsethsetnxhmsethincrbyincrbydecrby
#getsetmsetmsetnxexecsort
#
#Thedefaultis:
#
maxmemory-policynoeviction

#LRUandminimalTTLalgorithmsarenotprecisealgorithmsbutapproximated
#algorithms(inordertosavememory),soyoucantuneitforspeedor
#accuracy.FordefaultRediswillcheckfivekeysandpicktheonethatwas
#usedlessrecently,youcanchangethesamplesizeusingthefollowing
#configurationdirective.
#
#Thedefaultof5producesgoodenoughresults.10Approximatesveryclosely
#trueLRUbutcostsabitmoreCPU.3isveryfastbutnotveryaccurate.
#
maxmemory-samples5

Replicationlink和AOF文件中的过期处理

为了获得正确的行为而不至于导致一致性问题，当一个key过期时DEL操作将被记录在AOF文件并传递到所有相关的slave。也即过期删除操作统一在master实例中进行并向下传递，而不是各salve各自掌控。这样一来便不会出现数据不一致的情形。当slave连接到master后并不能立即清理已过期的key（需要等待由master传递过来的DEL操作），slave仍需对数据集中的过期状态进行管理维护以便于在slave被提升为master会能像master一样独立的进行过期处理。

总结

以上就是这篇文章的全部内容了，希望本文的内容对大家的学习或者工作能带来一定的帮助，如果有疑问大家可以留言交流。

Redis中的数据过期策略详解

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