打工人技术合集

18 Redis 过期策略与源码分析

在 Redis 中我们可以给一些元素设置过期时间，那当它过期之后 Redis 是如何处理这些过期键呢？

过期键执行流程

Redis 之所以能知道那些键值过期，是因为在 Redis 中维护了一个字典，存储了所有设置了过期时间的键值，我们称之为过期字典。

过期键判断流程如下图所示：

内存过期策略-过期键判断流程.png

过期键源码分析

过期键存储在 redisDb 结构中，源代码在 src/server.h 文件中：

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/* Redis database representation. There are multiple databases identified

 * by integers from 0 (the default database) up to the max configured

 * database. The database number is the 'id' field in the structure. */

typedef struct redisDb {

    dict *dict;                 /* 数据库键空间，存放着所有的键值对 */

    dict *expires;              /* 键的过期时间 */

    dict *blocking_keys;        /* Keys with clients waiting for data (BLPOP)*/

    dict *ready_keys;           /* Blocked keys that received a PUSH */

    dict *watched_keys;         /* WATCHED keys for MULTI/EXEC CAS */

    int id;                     /* Database ID */

    long long avg_ttl;          /* Average TTL, just for stats */

    list *defrag_later;         /* List of key names to attempt to defrag one by one, gradually. */

} redisDb;


小贴士：本文的所有源码都是基于 Redis 5。

过期键数据结构如下图所示：

微信截图_20191116185218.png

过期策略

Redis 会删除已过期的键值，以此来减少 Redis 的空间占用，但因为 Redis 本身是单线的，如果因为删除操作而影响主业务的执行就得不偿失了，为此 Redis 需要制定多个（过期）删除策略来保证糟糕的事情不会发生。

常见的过期策略有以下三种：

  • 定时删除
  • 惰性删除
  • 定期删除

下面分别来看每种策略有何不同。

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。

  • **优点：**保证内存可以被尽快地释放。
  • **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。

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。

  • **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。
  • **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。

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：

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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。

惰性删除执行流程，如下图所示：

内存过期策略-惰性删除执行流程.png

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。

定期删除流程

  1. 从过期字典中随机取出 20 个键；
  2. 删除这 20 个键中过期的键；
  3. 如果过期 key 的比例超过 25%，重复步骤 1。

同时为了保证过期扫描不会出现循环过度，导致线程卡死现象，算法还增加了扫描时间的上限，默认不会超过 25ms。

定期删除执行流程，如下图所示：

内存过期策略-执行流程2.png

  • **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。
  • **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。

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：

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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。

Redis 使用的过期策略

Redis 使用的是惰性删除加定期删除的过期策略。

小结

通过本文可知 Redis 是通过设置过期字典的形式来判断过期键的，Redis 采用的是惰性删除和定期删除的形式删除过期键的，Redis 的定期删除策略并不会遍历删除每个过期键，而是采用随机抽取的方式删除过期键，同时为了保证过期扫描不影响 Redis 主业务，Redis 的定期删除策略中还提供了最大执行时间，以保证 Redis 正常并高效地运行。

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