之前看到過一道面試題：Redis 的過期策略都有哪些?內(nèi)存淘汰機制都有哪些?手寫一下 LRU 代碼實現(xiàn)?

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筆者結(jié)合在工作上遇到的問題學習分析，希望看完這篇文章能對大家有所幫助。

從一次不可描述的故障說起

問題描述：一個依賴于定時器任務(wù)的生成的接口列表數(shù)據(jù)，時而有，時而沒有。

懷疑是 Redis 過期刪除策略

排查過程長，因為手動執(zhí)行定時器，Set 數(shù)據(jù)沒有報錯，但是 Set 數(shù)據(jù)之后不生效。

Set 沒報錯，但是 Set 完再查的情況下沒數(shù)據(jù)，開始懷疑 Redis 的過期刪除策略(準確來說應(yīng)該是 Redis 的內(nèi)存回收機制中的數(shù)據(jù)淘汰策略觸發(fā)內(nèi)存上限淘汰數(shù)據(jù))，導致新加入 Redis 的數(shù)據(jù)都被丟棄了。

最終發(fā)現(xiàn)故障的原因是因為配置錯了，導致數(shù)據(jù)寫錯地方，并不是 Redis 的內(nèi)存回收機制引起。

通過這次故障后思考總結(jié)，如果下一次遇到類似的問題，在懷疑 Redis 的內(nèi)存回收之后，如何有效地證明它的正確性?如何快速證明猜測的正確與否?以及什么情況下懷疑內(nèi)存回收才是合理的呢?

下一次如果再次遇到類似問題，就能夠更快更準地定位問題的原因。另外，Redis 的內(nèi)存回收機制原理也需要掌握，明白是什么，為什么。

花了點時間查閱資料研究 Redis 的內(nèi)存回收機制，并閱讀了內(nèi)存回收的實現(xiàn)代碼，通過代碼結(jié)合理論，給大家分享一下 Redis 的內(nèi)存回收機制。

為什么需要內(nèi)存回收?

原因有如下兩點：

• 在 Redis 中，Set 指令可以指定 Key 的過期時間，當過期時間到達以后，Key 就失效了。
• Redis 是基于內(nèi)存操作的，所有的數(shù)據(jù)都是保存在內(nèi)存中，一臺機器的內(nèi)存是有限且很寶貴的。

基于以上兩點，為了保證 Redis 能繼續(xù)提供可靠的服務(wù)，Redis 需要一種機制清理掉不常用的、無效的、多余的數(shù)據(jù)，失效后的數(shù)據(jù)需要及時清理，這就需要內(nèi)存回收了。

Redis 的內(nèi)存回收機制

Redis 的內(nèi)存回收主要分為過期刪除策略和內(nèi)存淘汰策略兩部分。

過期刪除策略

刪除達到過期時間的 Key。

①定時刪除

對于每一個設(shè)置了過期時間的 Key 都會創(chuàng)建一個定時器，一旦到達過期時間就立即刪除。

該策略可以立即清除過期的數(shù)據(jù)，對內(nèi)存較友好，但是缺點是占用了大量的 CPU 資源去處理過期的數(shù)據(jù)，會影響 Redis 的吞吐量和響應(yīng)時間。

②惰性刪除

當訪問一個 Key 時，才判斷該 Key 是否過期，過期則刪除。該策略能最大限度地節(jié)省 CPU 資源，但是對內(nèi)存卻十分不友好。

有一種極端的情況是可能出現(xiàn)大量的過期 Key 沒有被再次訪問，因此不會被清除，導致占用了大量的內(nèi)存。

在計算機科學中，懶惰刪除(英文：lazy deletion)指的是從一個散列表(也稱哈希表)中刪除元素的一種方法。

在這個方法中，刪除僅僅是指標記一個元素被刪除，而不是整個清除它。被刪除的位點在插入時被當作空元素，在搜索之時被當作已占據(jù)。

③定期刪除

每隔一段時間，掃描 Redis 中過期 Key 字典，并清除部分過期的 Key。該策略是前兩者的一個折中方案，還可以通過調(diào)整定時掃描的時間間隔和每次掃描的限定耗時，在不同情況下使得 CPU 和內(nèi)存資源達到最優(yōu)的平衡效果。

在 Redis 中，同時使用了定期刪除和惰性刪除。

過期刪除策略原理

為了大家聽起來不會覺得疑惑，在正式介紹過期刪除策略原理之前，先給大家介紹一點可能會用到的相關(guān) Redis 基礎(chǔ)知識。

①RedisDB 結(jié)構(gòu)體定義

我們知道，Redis 是一個鍵值對數(shù)據(jù)庫，對于每一個 Redis 數(shù)據(jù)庫，Redis 使用一個 RedisDB 的結(jié)構(gòu)體來保存，它的結(jié)構(gòu)如下：

typedef struct redisDb { 
        dict *dict;                 /* 數(shù)據(jù)庫的鍵空間，保存數(shù)據(jù)庫中的所有鍵值對 */ 
        dict *expires;              /* 保存所有過期的鍵 */ 
        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;                     /* 數(shù)據(jù)庫ID字段，代表不同的數(shù)據(jù)庫 */ 
        long long avg_ttl;          /* Average TTL, just for stats */ 
} redisDb; 

從結(jié)構(gòu)定義中我們可以發(fā)現(xiàn)，對于每一個 Redis 數(shù)據(jù)庫，都會使用一個字典的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來保存每一個鍵值對，dict 的結(jié)構(gòu)圖如下：

 

以上就是過期策略實現(xiàn)時用到比較核心的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。程序=數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)+算法，介紹完數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以后，接下來繼續(xù)看看處理的算法是怎樣的。

②expires 屬性

RedisDB 定義的第二個屬性是 expires，它的類型也是字典，Redis 會把所有過期的鍵值對加入到 expires，之后再通過定期刪除來清理 expires 里面的值。

加入 expires 的場景有：

• Set 指定過期時間 expire，如果設(shè)置 Key 的時候指定了過期時間，Redis 會將這個 Key 直接加入到 expires 字典中，并將超時時間設(shè)置到該字典元素。
• 調(diào)用 expire 命令，顯式指定某個 Key 的過期時間。
• 恢復或修改數(shù)據(jù)，從 Redis 持久化文件中恢復文件或者修改 Key，如果數(shù)據(jù)中的 Key 已經(jīng)設(shè)置了過期時間，就將這個 Key 加入到 expires 字典中。

以上這些操作都會將過期的 Key 保存到 expires。Redis 會定期從 expires 字典中清理過期的 Key。

③Redis 清理過期 Key 的時機

Redis 在啟動的時候，會注冊兩種事件，一種是時間事件，另一種是文件事件。時間事件主要是 Redis 處理后臺操作的一類事件，比如客戶端超時、刪除過期 Key;文件事件是處理請求。

在時間事件中，Redis 注冊的回調(diào)函數(shù)是 serverCron，在定時任務(wù)回調(diào)函數(shù)中，通過調(diào)用 databasesCron 清理部分過期 Key。(這是定期刪除的實現(xiàn)。)

int serverCron(struct aeEventLoop *eventLoop, long long id, void *clientData) 
{ 
    … 
    /* Handle background operations on Redis databases. */ 
    databasesCron(); 
    ... 
} 

每次訪問 Key 的時候，都會調(diào)用 expireIfNeeded 函數(shù)判斷 Key 是否過期，如果是，清理 Key。(這是惰性刪除的實現(xiàn))

robj *lookupKeyRead(redisDb *db, robj *key) { 
    robj *val; 
    expireIfNeeded(db,key); 
    val = lookupKey(db,key); 
     ... 
    return val; 
} 

每次事件循環(huán)執(zhí)行時，主動清理部分過期 Key。(這也是惰性刪除的實現(xiàn))

void aeMain(aeEventLoop *eventLoop) { 
    eventLoop->stop = 0; 
    while (!eventLoop->stop) { 
        if (eventLoop->beforesleep != NULL) 
            eventLoop->beforesleep(eventLoop); 
        aeProcessEvents(eventLoop, AE_ALL_EVENTS); 
    } 
} 
 
void beforeSleep(struct aeEventLoop *eventLoop) { 
       ... 
       /* Run a fast expire cycle (the called function will return 
        - ASAP if a fast cycle is not needed). */ 
       if (server.active_expire_enabled && server.masterhost == NULL) 
           activeExpireCycle(ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_FAST); 
       ... 
   } 

④過期策略的實現(xiàn)

我們知道，Redis 是以單線程運行的，在清理 Key 時不能占用過多的時間和 CPU，需要在盡量不影響正常的服務(wù)情況下，進行過期 Key 的清理。

過期清理的算法如下：

• server.hz 配置了 serverCron 任務(wù)的執(zhí)行周期，默認是 10，即 CPU 空閑時每秒執(zhí)行十次。
• 每次清理過期 Key 的時間不能超過 CPU 時間的 25%：timelimit = 1000000*ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_SLOW_TIME_PERC/server.hz/100。
• 比如，如果 hz=1，一次清理的最大時間為 250ms，hz=10，一次清理的最大時間為 25ms。
• 如果是快速清理模式(在 beforeSleep 函數(shù)調(diào)用)，則一次清理的最大時間是 1ms。
• 依次遍歷所有的 DB。
• 從 DB 的過期列表中隨機取 20 個 Key，判斷是否過期，如果過期，則清理。
• 如果有 5 個以上的 Key 過期，則重復步驟 5，否則繼續(xù)處理下一個 DB。
• 在清理過程中，如果達到 CPU 的 25% 時間，退出清理過程。

從實現(xiàn)的算法中可以看出，這只是基于概率的簡單算法，且是隨機的抽取，因此是無法刪除所有的過期 Key，通過調(diào)高 hz 參數(shù)可以提升清理的頻率，過期 Key 可以更及時的被刪除，但 hz 太高會增加 CPU 時間的消耗。

⑤刪除 Key

Redis 4.0 以前，刪除指令是 del，del 會直接釋放對象的內(nèi)存，大部分情況下，這個指令非?？欤瑳]有任何延遲的感覺。

但是，如果刪除的 Key 是一個非常大的對象，比如一個包含了千萬元素的 Hash，那么刪除操作就會導致單線程卡頓，Redis 的響應(yīng)就慢了。

為了解決這個問題，在 Redis 4.0 版本引入了 unlink 指令，能對刪除操作進行“懶”處理，將刪除操作丟給后臺線程，由后臺線程來異步回收內(nèi)存。

實際上，在判斷 Key 需要過期之后，真正刪除 Key 的過程是先廣播 expire 事件到從庫和 AOF 文件中，然后在根據(jù) Redis 的配置決定立即刪除還是異步刪除。

如果是立即刪除，Redis 會立即釋放 Key 和 Value 占用的內(nèi)存空間，否則，Redis 會在另一個 BIO 線程中釋放需要延遲刪除的空間。

小結(jié)：總的來說，Redis 的過期刪除策略是在啟動時注冊了 serverCron 函數(shù)，每一個時間時鐘周期，都會抽取 expires 字典中的部分 Key 進行清理，從而實現(xiàn)定期刪除。

另外，Redis 會在訪問 Key 時判斷 Key 是否過期，如果過期了，就刪除，以及每一次 Redis 訪問事件到來時，beforeSleep 都會調(diào)用 activeExpireCycle 函數(shù)，在 1ms 時間內(nèi)主動清理部分 Key，這是惰性刪除的實現(xiàn)。

Redis 結(jié)合了定期刪除和惰性刪除，基本上能很好的處理過期數(shù)據(jù)的清理，但是實際上還是有點問題的。

如果過期 Key 較多，定期刪除漏掉了一部分，而且也沒有及時去查，即沒有走惰性刪除，那么就會有大量的過期 Key 堆積在內(nèi)存中，導致 Redis 內(nèi)存耗盡。

當內(nèi)存耗盡之后，有新的 Key 到來會發(fā)生什么事呢?是直接拋棄還是其他措施呢?有什么辦法可以接受更多的 Key?

內(nèi)存淘汰策略

Redis 的內(nèi)存淘汰策略，是指內(nèi)存達到 maxmemory 極限時，使用某種算法來決定清理掉哪些數(shù)據(jù)，以保證新數(shù)據(jù)的存入。

Redis 的內(nèi)存淘汰機制如下：

• noeviction：當內(nèi)存不足以容納新寫入數(shù)據(jù)時，新寫入操作會報錯。
• allkeys-lru：當內(nèi)存不足以容納新寫入數(shù)據(jù)時，在鍵空間(server.db[i].dict)中，移除最近最少使用的 Key(這個是最常用的)。
• allkeys-random：當內(nèi)存不足以容納新寫入數(shù)據(jù)時，在鍵空間(server.db[i].dict)中，隨機移除某個 Key。
• volatile-lru：當內(nèi)存不足以容納新寫入數(shù)據(jù)時，在設(shè)置了過期時間的鍵空間(server.db[i].expires)中，移除最近最少使用的 Key。
• volatile-random：當內(nèi)存不足以容納新寫入數(shù)據(jù)時，在設(shè)置了過期時間的鍵空間(server.db[i].expires)中，隨機移除某個 Key。
• volatile-ttl：當內(nèi)存不足以容納新寫入數(shù)據(jù)時，在設(shè)置了過期時間的鍵空間(server.db[i].expires)中，有更早過期時間的 Key 優(yōu)先移除。

在配置文件中，通過 maxmemory-policy 可以配置要使用哪一個淘汰機制。

①什么時候會進行淘汰?

Redis 會在每一次處理命令的時候(processCommand 函數(shù)調(diào)用 freeMemoryIfNeeded)判斷當前 Redis 是否達到了內(nèi)存的最大限制，如果達到限制，則使用對應(yīng)的算法去處理需要刪除的 Key。

偽代碼如下：

int processCommand(client *c) 
{ 
    ... 
    if (server.maxmemory) { 
        int retval = freeMemoryIfNeeded();   
    } 
    ... 
} 

②LRU 實現(xiàn)原理

在淘汰 Key 時，Redis 默認最常用的是 LRU 算法(Latest Recently Used)。

Redis 通過在每一個 redisObject 保存 lRU 屬性來保存 Key 最近的訪問時間，在實現(xiàn) LRU 算法時直接讀取 Key 的 lRU 屬性。

具體實現(xiàn)時，Redis 遍歷每一個 DB，從每一個 DB 中隨機抽取一批樣本 Key，默認是 3 個 Key，再從這 3 個 Key 中，刪除最近最少使用的 Key。

實現(xiàn)偽代碼如下：

keys = getSomeKeys(dict, sample) 
key = findSmallestIdle(keys) 
remove(key) 

3 這個數(shù)字是配置文件中的 maxmeory-samples 字段，也是可以設(shè)置采樣的大小，如果設(shè)置為 10，那么效果會更好，不過也會耗費更多的 CPU 資源。

以上就是 Redis 內(nèi)存回收機制的原理介紹，了解了上面的原理介紹后，回到一開始的問題，在懷疑 Redis 內(nèi)存回收機制的時候能不能及時判斷故障是不是因為 Redis 的內(nèi)存回收機制導致的呢?

回到問題原點

如何證明故障是不是由內(nèi)存回收機制引起的?根據(jù)前面分析的內(nèi)容，如果 Set 沒有報錯，但是不生效，只有兩種情況：

• 設(shè)置的過期時間過短，比如，1s。
• 內(nèi)存超過了最大限制，且設(shè)置的是 noeviction 或者 allkeys-random。

因此，在遇到這種情況，首先看 Set 的時候是否加了過期時間，且過期時間是否合理，如果過期時間較短，那么應(yīng)該檢查一下設(shè)計是否合理。

如果過期時間沒問題，那就需要查看 Redis 的內(nèi)存使用率，查看 Redis 的配置文件或者在 Redis 中使用 Info 命令查看 Redis 的狀態(tài)，maxmemory 屬性查看最大內(nèi)存值。

如果是 0，則沒有限制，此時是通過 total_system_memory 限制，對比 used_memory 與 Redis 最大內(nèi)存，查看內(nèi)存使用率。

如果當前的內(nèi)存使用率較大，那么就需要查看是否有配置最大內(nèi)存，如果有且內(nèi)存超了，那么就可以初步判定是內(nèi)存回收機制導致 Key 設(shè)置不成功。

還需要查看內(nèi)存淘汰算法是否 noeviction 或者 allkeys-random，如果是，則可以確認是 Redis 的內(nèi)存回收機制導致。

如果內(nèi)存沒有超，或者內(nèi)存淘汰算法不是上面的兩者，則還需要看看 Key 是否已經(jīng)過期，通過 TTL 查看 Key 的存活時間。

 

如果運行了程序，Set 沒有報錯，則 TTL 應(yīng)該馬上更新，否則說明 Set 失敗，如果 Set 失敗了那么就應(yīng)該查看操作的程序代碼是否正確了。

總結(jié)

Redis 對于內(nèi)存的回收有兩種方式，一種是過期 Key 的回收，另一種是超過 Redis 的最大內(nèi)存后的內(nèi)存釋放。

對于第一種情況，Redis 會在：

• 每一次訪問的時候判斷 Key 的過期時間是否到達，如果到達，就刪除 Key。
• Redis 啟動時會創(chuàng)建一個定時事件，會定期清理部分過期的 Key，默認是每秒執(zhí)行十次檢查，每次過期 Key 清理的時間不超過 CPU 時間的 25%。

即若 hz=1，則一次清理時間最大為 250ms，若 hz=10，則一次清理時間最大為 25ms。

對于第二種情況，Redis 會在每次處理 Redis 命令的時候判斷當前 Redis 是否達到了內(nèi)存的最大限制，如果達到限制，則使用對應(yīng)的算法去處理需要刪除的 Key。

看完這篇文章后，你能回答文章開頭的面試題了嗎?