Redis的过期策略以及内存淘汰机制详解
作者：小志的博客
文章详解Redis的过期策略（定时删除、惰性删除、定时扫描）和缓存淘汰算法（如LFU、LRU等）,强调定时扫描通过随机抽样处理过期键,惰性删除在访问时清除过期键,同时指出需避免大量键同时过期,且主从同步延迟可能导致数据不一致,建议业务中合理设置过期时间与淘汰策略
一、过期策略
1.1、定时删除
1.1.1、过期
- Redis 所有的数据结构都可以设置过期时间，时间一到，就会自动删除。
- 但是会不会因为同一时间太多的key 过期，以至于忙不过来。
- 同时因为Redis 是单线程的，删除的时间也会占用线程的处理时间，如果删除的大过于繁忙，会不会导致线上读写指令出现卡顿。
1.1.2、过期的 key 集合
- redis 会将每个设置了过期时间的key 放入到一个独立的字典中，以后会定时遍历这个字典来删除到期的 key。
- 除了定时遍历之外，它还会使用惰性策略来删除过期的 key，所谓惰性策略就是在客户端访问这个 key 的时候，redis 对 key 的过期时间进行检查，如果过期了就立即删除。
- 定时删除是集中处理，惰性删除是零散处理。
1.1.3、定时扫描策略
Redis 默认会每秒进行十次过期扫描，过期扫描不会遍历过期字典中所有的 key，而是采用了一种简单的贪心策略。
（1）、从过期字典中随机 20 个 key;
（2）、删除这 20 个 key 中已经过期的 key;
（3）、 如果过期的 key 比率超过 1/4，那就重复步骤（1）;
1.1.4、 Redis 中所有的 key 在同一时间过期了，会出现怎样的结果
- Redis 会持续扫描过期字典(循环多次)，直到过期字典中过期的key 变得稀疏，才会停止(循环次数明显下降)。
- 这就会导致线上读写请求出现明显的卡顿现象。导致这种卡顿的另外一种原因是内存管理器需要频繁回收内存页，这也会产生一定的 CPU 消耗。
- 所以业务开发人员一定要注意过期时间，如果有大批量的 key 过期，要给过期时间设置一个随机范围，而不能全部在同一时间过期。
1.1.5、从库的过期策略
- 从库不会进行过期扫描，从库对过期的处理是被动的。主库在 key 到期时，会在 AOF 文件里增加一条 del 指令，同步到所有的从库，从库通过执行这条 del 指今来删除过期的 key。
- 因为指令同步是异步进行的，所以主库过期的key 的 del 指令没有及时同步到从库的话，会出现主从数据的不一致，主库没有的数据在从库里还存在，比如上-节的集群环境分布式锁的算法漏洞就是因为这个同步延迟产生的。
1.2、惰性删除
- 所谓惰性策略就是在客户端访问这个kev的时候，redis对key的过期时间进行检查，如果过期了就立即删除，不会给你返回任何东西。
- 定期删除可能会导致很多过期kev到了时间并没有被删除。所以就有了惰性删除。假如你的过期 key，靠定期删除没有被删除掉，还停留在内存里，除非你的系统去查一下那个 key，才会被redis给删除掉。
- 这就是所谓的惰性删除，即当你主动去查过期的key时,如果发现key过期了,就立即进行删除,不返回任何东西
1.3、定时删除和惰性删除的总结
- 定期删除是集中处理，惰性删除是零散处理。
二、缓存淘汰算法
2.1、缓存淘汰算法概述
2.1.1、概述
- 当 Redis 内存超出物理内存限制时，内存的数据会开始和磁盘产生频繁的交换(swap)。
- 交换会让 Redis 的性能急剧下降，对于访问量比较频繁的 Redis 来说，这样龟速的存取效率基本上等于不可用。
2.1.2、maxmemory
- 在生产环境中我们是不允许 Redis 出现交换行为的，为了限制最大使用内存，Redis 提供了配置参数maxmemory 来限制内存超出期望大小。
- 当实际内存超出 maxmemory 时，Redis 提供了几种可选策略(maxmemory-policy) 来让用户自己决定该如何腾出新的空间以继续提供读写服务。
2.2、缓存淘汰算法机制
2.2.1、Noeviction
- noeviction 不会继续服务写请求，(DEL 请求可以继续服务)，读请求可以继续进行。
- 这样可以保证不会丢失数据，但是会让线上的业务不能持续进行。这是默认的淘汰策略.
2.2.2、volatile-Iru
- volatile-lru 尝试淘汰设置了过期时间的key，最少使用的 key 优先被淘汰。
- 没有设置过期时间的 key 不会被淘汰，这样可以保证需要持久化的数据不会突然丢失。
2.2.3、volatile-ttl
- voatie-ttl 跟上面一样，除了淘汰的策略不是 LRU，而是key 的剩余寿命ttl的值，ttl 越小越优先被淘汰
2.2.4、volatile-random
- volatile-random 跟上面一样，不过淘汰的 key 是过期 key 集合中随机的 key。
2.2.5、allkeys-lru
- allkeys-lru 区别于volatile-lru，这个策略要淘汰的 key 对象是全体的 key 集合，而不只是过期的 key 集合。
- 这意味着没有设置过期时间的 key 也会被淘汰。
2.2.6、allkeys-random
- allkeys-random跟上面一样，不过淘汰的策略是随机的 key。
2.3、缓存淘汰算法总结
- volatile-xxx 策略只会针对带过期时间的key 进行淘汰。
- allkeys-xxx 策略会对所有的 key 进行淘汰。
- 如果你只是拿 Redis 做缓存，那应该使用 allkeys-xxx，客户端写缓存时不必携带过期时间。
- 如果你还想同时使用 Redis 的持久化功能，那就使用 volatile-xxx 策略，这样可以保留没有设置过期时间的 key，它们是永久的 key 不会被LRU 算法淘汰。
2.4、LRU 算法概述
- 实现 LRU 算法除了需要key/value 字典外，还需要附加一个链表，链表中的元素按照一定的顺序进行排列。当空间满的时候，会踢掉链表尾部的元素。当字典的某个元素被访问时，它在链表中的位置会被移动到表头。所以销表的元素排列顺序就是元素最近被访问的时间顺序。
- 位于链表尾部的元素就是不被重用的元素，所以会被踢掉。位于表头的元素就是最近刚刚被人用过的元素，所以暂时不会被踢。
2.5、近似 LRU 算法概述
- Redis 使用的是一种近似 LRU 算法，它跟 LRU 算法还不太一样。之所以不使用 LRU 算法，是因为需要消耗大量的额外的内存，需要对现有的数据结构进行较大的改造。
- 近似LRU 算法则很简单，在现有数据结构的基础上使用随机采样法来淘汰元素，能达到和 LRU 算法非常近似的效果。Redis 为实现近似LRU 算法，它给每个 key 增加了一个额外的小字段，这个字段的长度是 24 个 bit，也就是最后一次被访问的时间戳。
- 当 Redis 执行写操作时，发现内存超出maxmemory，就会执行一次 LRU 淘汰算法。这个算法也很简单，就是随机采样出 5可以配置maxmemory-samples) 个 key，然后淘汰掉最旧的 key，如果淘汰后内存还是超出maxmemory，那就继续随机采样淘汰，直到内存低于 maxmemory 为止。
总结
以上为个人经验，希望能给大家一个参考，也希望大家多多支持脚本之家。