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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:

/* 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:

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:

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。