Redis 中的过期元素是如何被处理的？视频+图文版给你答案——面试突击 002 期
- 2020 年 3 月 3 日
- 筆記
本文以面试问题「Redis 中的过期元素是如何被处理的？」为切入点，用视频加图文的方式和大家聊聊 Redis 过期元素被处理的相关知识点。
涉及的知识点
- 过期删除策略有哪些？
- 这些过期策略有哪些优缺点？
- Redis 使用的是什么过期策略？
- Redis 是如何优化和执行过期策略的？
视频答案
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图文答案
常见的过期策略：
- 定时删除
- 惰性删除
- 定期删除
1）定时删除
在设置键值过期时间时，创建一个定时事件，当过期时间到达时，由事件处理器自动执行键的删除操作。
① 优点
保证内存可以被尽快的释放
② 缺点
在 Redis 高负载的情况下或有大量过期键需要同时处理时，会造成 Redis 服务器卡顿，影响主业务执行。
2）惰性删除
不主动删除过期键，每次从数据库获取键值时判断是否过期，如果过期则删除键值，并返回 null。
① 优点
因为每次访问时，才会判断过期键，所以此策略只会使用很少的系统资源。
② 缺点
系统占用空间删除不及时，导致空间利用率降低，造成了一定的空间浪费。
③ 源码解析
惰性删除的源码位于 src/db.c 文件的 expireIfNeeded 方法中，源码如下：
int expireIfNeeded(redisDb *db, robj *key) { // 判断键是否过期 if (!keyIsExpired(db,key)) return 0; if (server.masterhost != NULL) return 1; /* 删除过期键 */ // 增加过期键个数 server.stat_expiredkeys++; // 传播键过期的消息 propagateExpire(db,key,server.lazyfree_lazy_expire); notifyKeyspaceEvent(NOTIFY_EXPIRED, "expired",key,db->id); // server.lazyfree_lazy_expire 为 1 表示异步删除（懒空间释放），反之同步删除 return server.lazyfree_lazy_expire ? dbAsyncDelete(db,key) : dbSyncDelete(db,key); } // 判断键是否过期 int keyIsExpired(redisDb *db, robj *key) { mstime_t when = getExpire(db,key); if (when < 0) return 0; /* No expire for this key */ /* Don't expire anything while loading. It will be done later. */ if (server.loading) return 0; mstime_t now = server.lua_caller ? server.lua_time_start : mstime(); return now > when; } // 获取键的过期时间 long long getExpire(redisDb *db, robj *key) { dictEntry *de; /* No expire? return ASAP */ if (dictSize(db->expires) == 0 || (de = dictFind(db->expires,key->ptr)) == NULL) return -1; /* The entry was found in the expire dict, this means it should also * be present in the main dict (safety check). */ serverAssertWithInfo(NULL,key,dictFind(db->dict,key->ptr) != NULL); return dictGetSignedIntegerVal(de); }所有对数据库的读写命令在执行之前，都会调用 expireIfNeeded 方法判断键值是否过期，过期则会从数据库中删除，反之则不做任何处理。
3）定期删除
每隔一段时间检查一次数据库，随机删除一些过期键。
Redis 默认每秒进行 10 次过期扫描，此配置可通过 Redis 的配置文件 redis.conf 进行配置，配置键为 hz 它的默认值是 hz 10 。
需要注意的是：Redis 每次扫描并不是遍历过期字典中的所有键，而是采用随机抽取判断并删除过期键的形式执行的。
定期删除的执行流程：
① 优点
通过限制删除操作的时长和频率，来减少删除操作对 Redis 主业务的影响，同时也能删除一部分过期的数据减少了过期键对空间的无效占用。
② 缺点
内存清理方面没有定时删除效果好，同时没有惰性删除使用的系统资源少。
③ 源码解析
定期删除的核心源码在 src/expire.c 文件下的 activeExpireCycle 方法中，源码如下：
void activeExpireCycle(int type) { static unsigned int current_db = 0; /* 上次定期删除遍历到的数据库ID */ static int timelimit_exit = 0; /* Time limit hit in previous call? */ static long long last_fast_cycle = 0; /* 上一次执行快速定期删除的时间点 */ int j, iteration = 0; int dbs_per_call = CRON_DBS_PER_CALL; // 每次定期删除，遍历的数据库的数量 long long start = ustime(), timelimit, elapsed; if (clientsArePaused()) return; if (type == ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_FAST) { if (!timelimit_exit) return; // ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_FAST_DURATION 是快速定期删除的执行时长 if (start < last_fast_cycle + ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_FAST_DURATION*2) return; last_fast_cycle = start; } if (dbs_per_call > server.dbnum || timelimit_exit) dbs_per_call = server.dbnum; // 慢速定期删除的执行时长 timelimit = 1000000*ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_SLOW_TIME_PERC/server.hz/100; timelimit_exit = 0; if (timelimit <= 0) timelimit = 1; if (type == ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_FAST) timelimit = ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_FAST_DURATION; /* 删除操作的执行时长 */ long total_sampled = 0; long total_expired = 0; for (j = 0; j < dbs_per_call && timelimit_exit == 0; j++) { int expired; redisDb *db = server.db+(current_db % server.dbnum); current_db++; do { // ....... expired = 0; ttl_sum = 0; ttl_samples = 0; // 每个数据库中检查的键的数量 if (num > ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_LOOKUPS_PER_LOOP) num = ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_LOOKUPS_PER_LOOP; // 从数据库中随机选取 num 个键进行检查 while (num--) { dictEntry *de; long long ttl; if ((de = dictGetRandomKey(db->expires)) == NULL) break; ttl = dictGetSignedInteger // 过期检查，并对过期键进行删除 if (activeExpireCycleTryExpire(db,de,now)) expired++; if (ttl > 0) { /* We want the average TTL of keys yet not expired. */ ttl_sum += ttl; ttl_samples++; } total_sampled++; } total_expired += expired; if (ttl_samples) { long long avg_ttl = ttl_sum/ttl_samples; if (db->avg_ttl == 0) db->avg_ttl = avg_ttl; db->avg_ttl = (db->avg_ttl/50)*49 + (avg_ttl/50); } if ((iteration & 0xf) == 0) { /* check once every 16 iterations. */ elapsed = ustime()-start; if (elapsed > timelimit) { timelimit_exit = 1; server.stat_expired_time_cap_reached_count++; break; } } /* 每次检查只删除 ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_LOOKUPS_PER_LOOP/4 个过期键 */ } while (expired > ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_LOOKUPS_PER_LOOP/4); } // ....... }activeExpireCycle 方法在规定的时间，分多次遍历各个数据库，从过期字典中随机检查一部分过期键的过期时间，删除其中的过期键。
这个函数有两种执行模式，一个是快速模式一个是慢速模式，体现是代码中的 timelimit 变量，这个变量是用来约束此函数的运行时间的。快速模式下 timelimit 的值是固定的，等于预定义常量 ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_FAST_DURATION，慢速模式下，这个变量的值是通过 1000000*ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_SLOW_TIME_PERC/server.hz/100 计算的。
总结
本文讲了常见的过期删除策略：
- 定时删除
- 惰性删除
- 定期删除
Redis 采用的是惰性删除 + 定期删除的组合策略，更多内容，详见视频部分。
