Redis内存淘汰机制

概述

Redis是基于内存存储，常用于数据的缓存，所以Redis提供了对键的过期时间的设置，实现了几种淘汰机制便于适应各种场景。

设置过期时间
我们可以在设置键时设置expire time，也可以在运行时给存在的键设置剩余的生存时间，不设置则默认为-1，设置为-1时表示永久存储。

Redis清除过期Key的方式

定期删除+惰性删除

定期删除

Redis设定每隔100ms随机抽取设置了过期时间的key，并对其进行检查，如果已经过期则删除。

为什么是随机抽取？ 因为如果存储了大量数据，全部遍历一遍是非常影响性能的！

惰性删除

每次获取key时会对key进行判断是否还存活，如果已经过期了则删除。

注意：Redis中过期的key并不会马上删除，因为定期删除可能正好没抽取到它，我们也没有访问它触发惰性删除

Redis内存淘汰机制

思考一下，如果定期删除漏掉了很多过期的key，而我们也没有再去访问它，如果不加处理，很可能导致内存耗尽。

Redis配置文件中可以设置maxmemory，内存的最大使用量，到达限度时会执行内存淘汰机制。

配置

  • redis.conf 配置文件中配置最大可用内存

    // 设置Redis 最大可用内存为 1024mb
maxmemory 1024mb

  • 命令操作

    //获取设置的Redis能使用的最大内存大小
127.0.0.1:6379> config get maxmemory
    
//设置Redis最大占用内存大小为1024M
    
127.0.0.1:6379> config set maxmemory 1024mb

Redis中的内存淘汰机制

没有配置时，默认为no-eviction

名称 描述
no-eviction 当内存不足写入新数据时，写入操作会报错，同时不删除数据
volatile-lru 从已设置过期时间的数据集中挑选最近最少使用的 Key 淘汰
volatile-ttl 从已设置过期时间的数据集中挑选将要过期的 Key 淘汰
volatile-random 从已设置过期时间的数据集中挑选任意 Key淘汰
volatile-lfu 从已设置过期时间的数据集中挑选最不经常使用的 Key 淘汰
allkeys-lru 当内存不足写入新数据时淘汰最近最少使用的 Key
allkeys-random 当内存不足写入新数据时随机选择任意 key淘汰
allkeys-lfu 当内存不足写入新数据时移除最不经常使用的Key
  • volatile为前缀的策略都是从 已过期的数据集 中进行淘汰。
  • allkeys为前缀的策略都是面向 所有key 进行淘汰。
  • LRU（least recently used）最近最少使用的。
  • LFU（Least Frequently Used）最不常用的。
  • 它们的触发条件都是Redis使用的内存达到阈值时。

内存淘汰机制设置获取修改

  • redis.conf 配置文件中配置最大可用内存

    // 设置Redis 淘汰机制为 volatile-lfu
maxmemory-policy volatile-lfu

  • 命令操作

    //获取设置的Redis内存淘汰机制
127.0.0.1:6379> config get maxmemory-policy
    
//设置Redis内存淘汰机制
    
127.0.0.1:6379> config set maxmemory-policy volatile-lfu

LRU 算法

概念

LRU(Least Recently Used)，最近最少使用，是一种缓存置换算法，其核心思想是：如果一个数据在最近一段时间内没有被用到，那么将来被使用的可能性也很小，所以就可以被淘汰掉。

实现原理

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，所以链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。位于表头的元素是刚被使用过的，因此暂时不会被踢。

下面使用 PHP 来实现一个简单的 LRU 算法。

<?php
class LRUCache
{
    private $cache = [];
    private $maxSize = 0;
    // 访问时间key=>time
    private $lru = [];

    function __construct($size)
    {
        // 缓存最大存储数量
        $this->maxSize = $size;
    }

    public function set($key, $value)
    {
        // 如果存在，就先删除，然后在开头插入
        if (isset($this->cache[$key])) {
            unset($this->cache[$key]);
        }
        // 长度检查，超长则删除尾部元素
        if (count($this->cache) >= $this->maxSize) {
            array_pop($this->cache);
        }
        // 头部插入元素
        $this->cache = [$key=>$value] + $this->cache;
    }

    public function get($key)
    {
        $resultValue = null;
        if (isset($this->cache[$key])) {
            $resultValue = $this->cache[$key];
            // 移动到头部
            unset($this->cache[$key]);
            $this->cache = [$key=>$resultValue] + $this->cache;
        }
        
        return $resultValue;
    }

    public function getAll()
    {
        return $this->cache;
    }
}

$cache = new LRUCache(3);
$cache->set('a', 1);
$cache->set('b', 2);
$cache->set('c', 3);
var_dump($cache->getAll());

$cache->set('d', 4);
var_dump($cache->getAll());

LRU 在 redis 中的实现

Redis 使用了一种近似 LRU算法，之所以不使用 LRU 算法，是因为其需要消耗大量的额外内存。

redis 为了实现近似 LRU 算法，给每个 key 增加了一个 24 bit的字段，用于保存最后一次被访问的时间。

Redis维护了一个24位时钟，可以简单理解为当前系统的时间戳，每隔一定时间会更新这个时钟。每个key对象内部同样维护了一个24位的时钟，当新增key对象的时候会把系统的时钟赋值到这个内部对象时钟。比如我现在要进行LRU，那么首先拿到当前的全局时钟，然后再找到内部时钟与全局时钟距离时间最久的（差最大）进行淘汰，这里值得注意的是全局时钟只有24位，按秒为单位来表示才能存储194天，所以可能会出现key的时钟大于全局时钟的情况，如果这种情况出现那么就两个相加而不是相减来求最久的key。

struct redisServer {
      pid_t pid; 
      char *configfile; 
      //全局时钟
      unsigned lruclock:LRU_BITS; 
      ...
};

typedef struct redisObject {
   unsigned type:4;
   unsigned encoding:4;
   /* key对象内部时钟 */
   unsigned lru:LRU_BITS;
   int refcount;
   void *ptr;
} robj;

近似的 LRU 算法实际原理是 维护一个候选池（大小16），第一次选取 5 个（默认值）key 放到池中，随后每次选取的 key 值只有 访问时间（与系统时钟）间隔 大于 池中最小访问时间间隔的 才会被放到 池中，直到放满，如果有新加入的，则移除间隔时间最小的 key，当需要淘汰时，则直接从池中选取时间间隔最大（最久没用被调用）的进行淘汰。

LRU 和 近似 LRU 效果对比

下图是常规LRU淘汰策略与Redis随机样本取一键淘汰策略的对比，浅灰色表示已经删除的键，深灰色表示没有被删除的键，绿色表示新加入的键，越往上表示键加入的时间越久。从图中可以看出，在redis 3中，设置样本数为10的时候能够很准确的淘汰掉最久没有使用的键，与常规LRU基本持平。

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LFU 算法

概念

LFU(Least Frequently Used)，它的核心思想是 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，所有就可以被淘汰掉。

实现原理

根据 key 的最近访问频率进行淘汰，很少被访问的优先被淘汰，被访问多的则留下来。

下面使用 PHP 实现 LFU 算法

class LFUCache
{
    private $cache = [];
    private $maxSize = 0;
    // 访问时间key=>count
    private $lfu = [];

    function __construct($size)
    {
        // 缓存最大存储数量
        $this->maxSize = $size;
    }

    public function set($key, $value)
    {
        // 如果存在，就更新访问次数+1
        if (isset($this->cache[$key])) {
            $this->lfu[$key] += 1; 
        }
        // 长度检查，超长则删除最久访问数据
        $this->cleanup();

        // 插入元素, 更新访问次数
        $this->cache[$key] = $value;
        if (!isset($this->lfu[$key])) {
            $this->lfu[$key] = 1; 
        }
    }

    public function cleanup()
    {
        if (count($this->cache) >= $this->maxSize) {
            asort($this->lfu);
            var_dump($this->lfu);
            $k = array_keys($this->lfu)[0];
            unset($this->cache[$k]);
            unset($this->lfu[$k]);
        }
        return true;
    }

    public function get($key)
    {
        $resultValue = null;
        if (isset($this->cache[$key])) {
            $resultValue = $this->cache[$key];
            // 更新访问时间
            $this->lfu[$key] += 1;
        }
        
        return $resultValue;
    }

    public function getAll()
    {
        return $this->cache;
    }
}

$cache = new LFUCache(3);
$cache->set('a', 1);
$cache->set('b', 2);
$cache->set('c', 3);

var_dump($cache->getAll());
$cache->get('a');
$cache->set('d', 4);
var_dump($cache->getAll());

LFU 在 redis 中的实现

LFU是在Redis4.0后出现的，LRU的最近最少使用实际上并不精确，考虑下面的情况，如果在|处删除，那么A距离的时间最久，但实际上A的使用频率要比B频繁，所以合理的淘汰策略应该是淘汰B。LFU就是为应对这种情况而生的。

A~~A~~A~~A~~A~~A~~A~~A~~A~~A~~~|
B~~~~~B~~~~~B~~~~~B~~~~~~~~~~~B|

LFU 把原来的 key 对象的内部时钟的 24 位分成两部分，前16位还代表时钟，后8位代表一个计数器。16位的情况下如果还按照秒为单位就会导致不够用，所以一般这里以时钟为单位。而后8位表示当前 key 对象的访问频率，8位只能代表255，但是redis 并没有采用线性上升的方式，而是通过一个复杂的公式，通过配置两个参数来调整数据的递增速度。
下图从左到右表示 key 的命中次数，从上到下表示影响因子，在影响因子为100的条件下，经过10M次命中才能把后8位值加满到255.

# +--------+------------+------------+------------+------------+------------+
# | factor | 100 hits   | 1000 hits  | 100K hits  | 1M hits    | 10M hits   |
# +--------+------------+------------+------------+------------+------------+
# | 0      | 104        | 255        | 255        | 255        | 255        |
# +--------+------------+------------+------------+------------+------------+
# | 1      | 18         | 49         | 255        | 255        | 255        |
# +--------+------------+------------+------------+------------+------------+
# | 10     | 10         | 18         | 142        | 255        | 255        |
# +--------+------------+------------+------------+------------+------------+
# | 100    | 8          | 11         | 49         | 143        | 255        |
# +--------+------------+------------+------------+------------+------------+

  uint8_t LFULogIncr(uint8_t counter) {
      if (counter == 255) return 255;
      double r = (double)rand()/RAND_MAX;
      double baseval = counter - LFU_INIT_VAL;
      if (baseval < 0) baseval = 0;
      double p = 1.0/(baseval*server.lfu_log_factor+1);
      if (r < p) counter++;
      return counter;
  }

lfu-log-factor 10
lfu-decay-time 1

上面说的情况是 key 一直被命中的情况，如果一个 key 经过几分钟没有被命中，那么后8位的值是需要递减几分钟，具体递减几分钟根据衰减因子lfu-decay-time来控制

unsigned long LFUDecrAndReturn(robj *o) {
    unsigned long ldt = o->lru >> 8;
    unsigned long counter = o->lru & 255;
    unsigned long num_periods = server.lfu_decay_time ? LFUTimeElapsed(ldt) / server.lfu_decay_time : 0;
    if (num_periods)
        counter = (num_periods > counter) ? 0 : counter - num_periods;
    return counter;
}

lfu-log-factor 10
lfu-decay-time 1

上面递增和衰减都有对应参数配置，那么对于新分配的 key 呢？如果新分配的 key 计数器开始为0，那么很有可能在内存不足的时候直接就给淘汰掉了，所以默认情况下新分配的 key 的后8位计数器的值为5（应该可配资），防止因为访问频率过低而直接被删除。

低8位我们描述完了，那么高16位的时钟是用来干嘛的呢？目前我的理解是用来衰减低8位的计数器的，就是根据这个时钟与全局时钟进行比较，如果过了一定时间（做差）就会对计数器进行衰减。

参考资料

Redis内存淘汰机制

redis内存淘汰机制

Redis的缓存淘汰策略LRU与LFU

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