Redis系列 - 过期策略和淘汰策略

提到内存管理，我们就需要考虑Redis的内存过期策略和内存淘汰机制。该文章便从这两方面入手，分享一些在Redis内存方面相关的基础知识。

内存过期策略

内存过期策略主要的作用就是，在缓存过期之后，能够及时的将失效的缓存从内存中删除，以减少内存的无效暂用，达到释放内存的目的。Redis内存过期策略分为三类，定时策略、惰性策略和定期策略。

定时策略

含义：在设置key的过期时间的同时，为该key创建一个定时器，让定时器在key的过期时间来临时，对key进行删除。

优点：保证内存被尽快释放，减少无效的缓存暂用内存。

缺点：若过期key很多，删除这些key会占用很多的CPU时间，在CPU时间紧张的情况下，CPU不能把所有的时间用来做要紧的事儿，还需要去花时间删除这些key。定时器的创建耗时，若为每一个设置过期时间的key创建一个定时器（将会有大量的定时器产生），性能影响严重。一般来说，是不会选择该策略模式。

惰性策略

含义：key过期的时候不删除，每次从数据库获取key的时候去检查是否过期，若过期，则删除，返回null。

优点：删除操作只发生在从数据库取出key的时候发生，而且只删除当前key，所以对CPU时间的占用是比较少的，而且此时的删除是已经到了非做不可的地步（如果此时还不删除的话，我们就会获取到了已经过期的key了）。

缺点：若大量的key在超出超时时间后，很久一段时间内，都没有被获取过，此时的无效缓存是永久暂用在内存中的，那么可能发生内存泄露（无用的垃圾占用了大量的内存）。

定期策略

含义：每隔一段时间对设置了缓存时间的key进行检测，如果可以已经失效，则从内存中删除，如果未失效，则不作任何处理。

优点：通过限制删除操作的时长和频率，来减少删除操作对CPU时间的占用–处理”定时删除”的缺点。

缺点：在内存友好方面，不如”定时删除”，因为是随机遍历一些key，因此存在部分key过期，但遍历key时，没有被遍历到，过期的key仍在内存中。在CPU时间友好方面，不如”惰性删除”，定期删除也会暂用CPU性能消耗。

难点：合理设置删除操作的执行时长（每次删除执行多长时间）和执行频率（每隔多长时间做一次删除）（这个要根据服务器运行情况来定了）。

注意：该方式不是去遍历所有的key，而是随机抽取一些key做过期检测。

过期策略对持久化存储的影响

持久化存储，指的是将内存的缓存永久存在磁盘中。也就是说我们的AOF和RDB持久化存储方式。因为该两种方式，将内存中的数据写入磁盘，这时候就需要考虑到我们过期的缓存是否会被写入到磁盘中？如果写入磁盘又是怎么处理的？

RDB持久化

持久化key之前，会检查是否过期，过期的key不进入RDB文件。
数据载入数据库之前，会对key先进行过期检查，如果过期，不导入数据库（主库情况）。

AOF持久化

当key过期后，还没有被删除，此时进行执行持久化操作（该key是不会进入AOF文件的，因为没有发生修改命令）。
当key过期后，在发生删除操作时，程序会向AOF文件追加一条del命令（在将来的以AOF文件恢复数据的时候该过期的键就会被删掉）。

因为AOF方式，向存储文件追加的是Redis的操作命令，而不是具体的数据，然而RDB确是存储的安全的二进制内容。

重写时，会先判断key是否过期，已过期的key不会重写到AOF文件。

即使在重写时，不验证是否过期，然而追加了del命令，测试无效的key同样会被删除。判断的情况是为了防止没有加入del命令的key。

Redis中主要使用定期删除 + 惰性删除两种数据过期清除策略：

定期删除：redis默认每隔100ms就随机抽取一些设置了过期时间的key，检查其是否过期，如果有过期就删除。注意这里是随机抽取的。为什么要随机呢？你想一想假如 redis 存了几十万个 key ，每隔100ms就遍历所有的设置过期时间的 key 的话，就会给 CPU 带来很大的负载
惰性删除：定期删除可能导致很多过期的key 到了时间并没有被删除掉。这时就要使用到惰性删除。在你获取某个key的时候，redis会检查一下，这个key如果设置了过期时间并且过期了，是的话就删除。

定期删除+惰性删除存在的问题：

如果某个key过期后，定期删除没删除成功，然后也没再次去请求key，也就是说惰性删除也没生效。这时，如果大量过期的key堆积在内存中，redis的内存会越来越高，导致redis的内存块耗尽。那么就应该采用内存淘汰机制。

内存淘汰机制

内存淘汰机制针对是内存不足的情况下的一种Redis处理机制。例如，当前的Redis存储已经超过内存限制了，然而我们的业务还在继续往Redis里面追加缓存内容，这时候Redis的淘汰机制就起到作用了。

淘汰机制分类

根据redis.conf的配置文件中，我们可以得出，主要分为如下六种淘汰机制。

volatile-lru：当内存不足以容纳新写入数据时，在设置了过期时间的键空间中，移除最近最少使用的key。
allkeys-lru：当内存不足以容纳新写入数据时，在键空间中，移除最近最少使用的key（这个是最常用的）。
volatile-lfu：当内存不足以容纳新写入数据时，在过期密集的键中，使用LFU算法进行删除key。
allkeys-lfu：当内存不足以容纳新写入数据时，使用LFU算法移除所有的key。
volatile-random：当内存不足以容纳新写入数据时，在设置了过期的键中，随机删除一个key。
allkeys-random：当内存不足以容纳新写入数据时，随机删除一个或者多个key。
volatile-ttl：当内存不足以容纳新写入数据时，在设置了过期时间的键空间中，有更早过期时间的key优先移除。
noeviction：当内存不足以容纳新写入数据时，新写入操作会报错。

通常情况下推荐优先使用 allkeys-lru 策略。这样可以充分利用 LRU 这一经典缓存算法的优势，把最近最常访问的数据留在缓存中，提升应用的访问性能。

如果你的业务数据中有明显的冷热数据区分，建议使用 allkeys-lru 策略。

如果业务应用中的数据访问频率相差不大，没有明显的冷热数据区分，建议使用 allkeys-random 策略，随机选择淘汰的数据就行。

如果没有设置过期时间的键值对，那么 volatile-lru，volatile-lfu，volatile-random 和 volatile-ttl 策略的行为, 和 noeviction 基本上一致。

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