redis 数据删除策略和逐出算法

rongxionga

2020-06-14

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原文:redis 数据删除策略和逐出算法

数据存储和有效期

在 redis 工作流程中，过期的数据并不需要马上就要执行删除操作。因为这些删不删除只是一种状态表示，可以异步的去处理，在不忙的时候去把这些不紧急的删除操作做了，从而保证 redis 的高效

数据的存储

在redis中数据的存储不仅仅需要保存数据本身还要保存数据的生命周期，也就是过期时间。在redis 中数据的存储结构如下图：

获取有效期

Redis是一种内存级数据库，所有数据均存放在内存中，内存中的数据可以通过TTL指令获取其状态

删除策略

在内存占用与CPU占用之间寻找一种平衡，顾此失彼都会造成整体redis性能的下降，甚至引发服务器宕机或内存泄漏。

定时删除

创建一个定时器，当key设置过期时间，且过期时间到达时，由定时器任务立即执行对键的删除操作

优点

节约内存，到时就删除，快速释放掉不必要的内存占用

缺点

CPU压力很大，无论CPU此时负载多高，均占用CPU，会影响redis服务器响应时间和指令吞吐量

总结

用处理器性能换取存储空间

惰性删除

数据到达过期时间，不做处理。等下次访问该数据，如果未过期，返回数据。发现已经过期，删除，返回不存在。这样每次读写数据都需要检测数据是否已经到达过期时间。也就是惰性删除总是在数据的读写时发生的。

expireIfNeeded函数

对所有的读写命令进行检查，检查操作的对象是否过期。过期就删除返回过期，不过期就什么也不做～。

执行数据写入过程中，首先通过expireIfNeeded函数对写入的key进行过期判断。

Copy/*
 * 为执行写入操作而取出键 key 在数据库 db 中的值。
 *
 * 和 lookupKeyRead 不同，这个函数不会更新服务器的命中/不命中信息。
 *
 * 找到时返回值对象，没找到返回 NULL 。
 */
robj *lookupKeyWrite(redisDb *db, robj *key) {

    // 删除过期键
    expireIfNeeded(db,key);

    // 查找并返回 key 的值对象
    return lookupKey(db,key);
}

执行数据读取过程中，首先通过expireIfNeeded函数对写入的key进行过期判断。

Copy/*
 * 为执行读取操作而取出键 key 在数据库 db 中的值。
 *
 * 并根据是否成功找到值，更新服务器的命中/不命中信息。
 *
 * 找到时返回值对象，没找到返回 NULL 。
 */
robj *lookupKeyRead(redisDb *db, robj *key) {
    robj *val;

    // 检查 key 释放已经过期
    expireIfNeeded(db,key);

    // 从数据库中取出键的值
    val = lookupKey(db,key);

    // 更新命中/不命中信息
    if (val == NULL)
        server.stat_keyspace_misses++;
    else
        server.stat_keyspace_hits++;

    // 返回值
    return val;
}

执行过期动作expireIfNeeded其实内部做了三件事情，分别是：

查看key判断是否过期
向slave节点传播执行过期key的动作并发送事件通知
删除过期key

Copy/*
 * 检查 key 是否已经过期，如果是的话，将它从数据库中删除。
 *
 * 返回 0 表示键没有过期时间，或者键未过期。
 *
 * 返回 1 表示键已经因为过期而被删除了。
 */
int expireIfNeeded(redisDb *db, robj *key) {

    // 取出键的过期时间
    mstime_t when = getExpire(db,key);
    mstime_t now;

    // 没有过期时间
    if (when < 0) return 0; /* No expire for this key */

    /* Don‘t expire anything while loading. It will be done later. */
    // 如果服务器正在进行载入，那么不进行任何过期检查
    if (server.loading) return 0;

    // 当服务器运行在 replication 模式时
    // 附属节点并不主动删除 key
    // 它只返回一个逻辑上正确的返回值
    // 真正的删除操作要等待主节点发来删除命令时才执行
    // 从而保证数据的同步
    if (server.masterhost != NULL) return now > when;

    // 运行到这里，表示键带有过期时间，并且服务器为主节点

    /* Return when this key has not expired */
    // 如果未过期，返回 0
    if (now <= when) return 0;

    /* Delete the key */
    server.stat_expiredkeys++;

    // 向 AOF 文件和附属节点传播过期信息
    propagateExpire(db,key);

    // 发送事件通知
    notifyKeyspaceEvent(REDIS_NOTIFY_EXPIRED,
        "expired",key,db->id);

    // 将过期键从数据库中删除
    return dbDelete(db,key);
}

判断key是否过期的数据结构是db->expires，也就是通过expires的数据结构判断数据是否过期。
内部获取过期时间并返回。

Copy/*
 * 返回字典中包含键 key 的节点
 *
 * 找到返回节点，找不到返回 NULL
 *
 * T = O(1)
 */
dictEntry *dictFind(dict *d, const void *key)
{
    dictEntry *he;
    unsigned int h, idx, table;

    // 字典（的哈希表）为空
    if (d->ht[0].size == 0) return NULL; /* We don‘t have a table at all */

    // 如果条件允许的话，进行单步 rehash
    if (dictIsRehashing(d)) _dictRehashStep(d);

    // 计算键的哈希值
    h = dictHashKey(d, key);
    // 在字典的哈希表中查找这个键
    // T = O(1)
    for (table = 0; table <= 1; table++) {

        // 计算索引值
        idx = h & d->ht[table].sizemask;

        // 遍历给定索引上的链表的所有节点，查找 key
        he = d->ht[table].table[idx];
        // T = O(1)
        while(he) {

            if (dictCompareKeys(d, key, he->key))
                return he;

            he = he->next;
        }

        // 如果程序遍历完 0 号哈希表，仍然没找到指定的键的节点
        // 那么程序会检查字典是否在进行 rehash ，
        // 然后才决定是直接返回 NULL ，还是继续查找 1 号哈希表
        if (!dictIsRehashing(d)) return NULL;
    }

    // 进行到这里时，说明两个哈希表都没找到
    return NULL;
}

优点

节约CPU性能，发现必须删除的时候才删除。

缺点

内存压力很大，出现长期占用内存的数据。

总结

用存储空间换取处理器性能

定期删除

周期性轮询redis库中时效性数据，采用随机抽取的策略，利用过期数据占比的方式删除频度。

优点

CPU性能占用设置有峰值，检测频度可自定义设置

内存压力不是很大，长期占用内存的冷数据会被持续清理

缺点

需要周期性抽查存储空间

定期删除详解

redis的定期删除是通过定时任务实现的，也就是定时任务会循环调用serverCron方法。然后定时检查过期数据的方法是databasesCron。定期删除的一大特点就是考虑了定时删除过期数据会占用cpu时间，所以每次执行databasesCron的时候会限制cpu的占用不超过25%。真正执行删除的是 activeExpireCycle方法。

时间事件

对于持续运行的服务器来说，服务器需要定期对自身的资源和状态进行必要的检查和整理，从而让服务器维持在一个健康稳定的状态，这类操作被统称为常规操作（cron job）

在 Redis 中，常规操作由 redis.c/serverCron() 实现，它主要执行以下操作

1 更新服务器的各类统计信息，比如时间、内存占用、数据库占用情况等。

2 清理数据库中的过期键值对。

3 对不合理的数据库进行大小调整。

4 关闭和清理连接失效的客户端。

5 尝试进行 AOF 或 RDB 持久化操作。

6 如果服务器是主节点的话，对附属节点进行定期同步。

7 如果处于集群模式的话，对集群进行定期同步和连接测试。

因为 serverCron() 需要在 Redis 服务器运行期间一直定期运行，所以它是一个循环时间事件： serverCron() 会一直定期执行，直到服务器关闭为止。

在 Redis 2.6 版本中，程序规定 serverCron() 每秒运行 10 次，平均每 100 毫秒运行一次。从 Redis 2.8 开始，用户可以通过修改 hz选项来调整 serverCron() 的每秒执行次数，具体信息请参考 redis.conf 文件中关于 hz 选项的说明

查看hz

Copyway1 : config get hz  # "hz" "10"
way2 : info server  # server.hz 10

serverCron()

serverCron()会定期的执行，在serverCron()执行中会调用databasesCron() 方法(serverCron()还做了其他很多事情，但是现在不讨论，只谈删除策略)

Copyint serverCron(struct aeEventLoop *eventLoop, long long id, void *clientData) {
    // 略去多无关代码

    /* We need to do a few operations on clients asynchronously. */
    // 检查客户端，关闭超时客户端，并释放客户端多余的缓冲区
    clientsCron();

    /* Handle background operations on Redis databases. */
    // 对数据库执行各种操作
    databasesCron();   /* ！我们关注的方法！ */

databasesCron()

在 databasesCron() 中调用了 activeExpireCycle()方法，来对过期的数据进行处理。(在这里还会做一些其他操作～调整数据库大小，主动和渐进式rehash)

Copy// 对数据库执行删除过期键，调整大小，以及主动和渐进式 rehash
void databasesCron(void) {

    // 判断是否是主服务器 如果是 执行主动过期键清除
    if (server.active_expire_enabled && server.masterhost == NULL)
        // 清除模式为 CYCLE_SLOW ，这个模式会尽量多清除过期键
        activeExpireCycle(ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_SLOW);

    // 在没有 BGSAVE 或者 BGREWRITEAOF 执行时，对哈希表进行 rehash
    if (server.rdb_child_pid == -1 && server.aof_child_pid == -1) {
        static unsigned int resize_db = 0;
        static unsigned int rehash_db = 0;
        unsigned int dbs_per_call = REDIS_DBCRON_DBS_PER_CALL;
        unsigned int j;

        /* Don‘t test more DBs than we have. */
        // 设定要测试的数据库数量
        if (dbs_per_call > server.dbnum) dbs_per_call = server.dbnum;

        /* Resize */
        // 调整字典的大小
        for (j = 0; j < dbs_per_call; j++) {
            tryResizeHashTables(resize_db % server.dbnum);
            resize_db++;
        }

        /* Rehash */
        // 对字典进行渐进式 rehash
        if (server.activerehashing) {
            for (j = 0; j < dbs_per_call; j++) {
                int work_done = incrementallyRehash(rehash_db % server.dbnum);
                rehash_db++;
                if (work_done) {
                    /* If the function did some work, stop here, we‘ll do
                     * more at the next cron loop. */
                    break;
                }
            }
        }
    }
}

activeExpireCycle()

大致流程如下

1 遍历指定个数的db（默认的 16 ）进行删除操作

2 针对每个db随机获取过期数据每次遍历不超过指定数量（如20），发现过期数据并进行删除。

3 如果有多于25%的keys过期，重复步骤 2

除了主动淘汰的频率外，Redis对每次淘汰任务执行的最大时长也有一个限定，这样保证了每次主动淘汰不会过多阻塞应用请求，以下是这个限定计算公式：

Copy#define ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_SLOW_TIME_PERC 25 /* CPU max % for keys collection */ ``... ``timelimit = 1000000*ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_SLOW_TIME_PERC/server.hz/100;

也就是每次执行时间的25%用于过期数据删除。

Copyvoid activeExpireCycle(int type) {
    // 静态变量，用来累积函数连续执行时的数据
    static unsigned int current_db = 0; /* Last DB tested. */
    static int timelimit_exit = 0;      /* Time limit hit in previous call? */
    static long long last_fast_cycle = 0; /* When last fast cycle ran. */

    unsigned int j, iteration = 0;
    // 默认每次处理的数据库数量
    unsigned int dbs_per_call = REDIS_DBCRON_DBS_PER_CALL;
    // 函数开始的时间
    long long start = ustime(), timelimit;

    // 快速模式
    if (type == ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_FAST) {
        // 如果上次函数没有触发 timelimit_exit ，那么不执行处理
        if (!timelimit_exit) return;
        // 如果距离上次执行未够一定时间，那么不执行处理
        if (start < last_fast_cycle + ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_FAST_DURATION*2) return;
        // 运行到这里，说明执行快速处理，记录当前时间
        last_fast_cycle = start;
    }

    /* 
     * 一般情况下，函数只处理 REDIS_DBCRON_DBS_PER_CALL 个数据库，
     * 除非：
     *
     * 1) 当前数据库的数量小于 REDIS_DBCRON_DBS_PER_CALL
     * 2) 如果上次处理遇到了时间上限，那么这次需要对所有数据库进行扫描，
     *     这可以避免过多的过期键占用空间
     */
    if (dbs_per_call > server.dbnum || timelimit_exit)
        dbs_per_call = server.dbnum;

    // 函数处理的微秒时间上限
    // ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_SLOW_TIME_PERC 默认为 25 ，也即是 25 % 的 CPU 时间
    timelimit = 1000000*ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_SLOW_TIME_PERC/server.hz/100;
    timelimit_exit = 0;
    if (timelimit <= 0) timelimit = 1;

    // 如果是运行在快速模式之下
    // 那么最多只能运行 FAST_DURATION 微秒 
    // 默认值为 1000 （微秒）
    if (type == ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_FAST)
        timelimit = ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_FAST_DURATION; /* in microseconds. */

    // 遍历数据库
    for (j = 0; j < dbs_per_call; j++) {
        int expired;
        // 指向要处理的数据库
        redisDb *db = server.db+(current_db % server.dbnum);

        // 为 DB 计数器加一，如果进入 do 循环之后因为超时而跳出
        // 那么下次会直接从下个 DB 开始处理
        current_db++;

        do {
            unsigned long num, slots;
            long long now, ttl_sum;
            int ttl_samples;

            /* If there is nothing to expire try next DB ASAP. */
            // 获取数据库中带过期时间的键的数量
            // 如果该数量为 0 ，直接跳过这个数据库
            if ((num = dictSize(db->expires)) == 0) {
                db->avg_ttl = 0;
                break;
            }
            // 获取数据库中键值对的数量
            slots = dictSlots(db->expires);
            // 当前时间
            now = mstime();

            // 这个数据库的使用率低于 1% ，扫描起来太费力了（大部分都会 MISS）
            // 跳过，等待字典收缩程序运行
            if (num && slots > DICT_HT_INITIAL_SIZE &&
                (num*100/slots < 1)) break;

            /* 
             * 样本计数器
             */
            // 已处理过期键计数器
            expired = 0;
            // 键的总 TTL 计数器
            ttl_sum = 0;
            // 总共处理的键计数器
            ttl_samples = 0;

            // 每次最多只能检查 LOOKUPS_PER_LOOP 个键
            if (num > ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_LOOKUPS_PER_LOOP)
                num = ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_LOOKUPS_PER_LOOP;

            // 开始遍历数据库
            while (num--) {
                dictEntry *de;
                long long ttl;

                // 从 expires 中随机取出一个带过期时间的键
                if ((de = dictGetRandomKey(db->expires)) == NULL) break;
                // 计算 TTL
                ttl = dictGetSignedIntegerVal(de)-now;
                // 如果键已经过期，那么删除它，并将 expired 计数器增一
                if (activeExpireCycleTryExpire(db,de,now)) expired++;
                if (ttl < 0) ttl = 0;
                // 累积键的 TTL
                ttl_sum += ttl;
                // 累积处理键的个数
                ttl_samples++;
            }

            /* Update the average TTL stats for this database. */
            // 为这个数据库更新平均 TTL 统计数据
            if (ttl_samples) {
                // 计算当前平均值
                long long avg_ttl = ttl_sum/ttl_samples;
                
                // 如果这是第一次设置数据库平均 TTL ，那么进行初始化
                if (db->avg_ttl == 0) db->avg_ttl = avg_ttl;
                /* Smooth the value averaging with the previous one. */
                // 取数据库的上次平均 TTL 和今次平均 TTL 的平均值
                db->avg_ttl = (db->avg_ttl+avg_ttl)/2;
            }

            // 我们不能用太长时间处理过期键，
            // 所以这个函数执行一定时间之后就要返回

            // 更新遍历次数
            iteration++;

            // 每遍历 16 次执行一次
            if ((iteration & 0xf) == 0 && /* check once every 16 iterations. */
                (ustime()-start) > timelimit)
            {
                // 如果遍历次数正好是 16 的倍数
                // 并且遍历的时间超过了 timelimit
                // 那么断开 timelimit_exit
                timelimit_exit = 1;
            }

            // 已经超时了，返回
            if (timelimit_exit) return;

            // 如果已删除的过期键占当前总数据库带过期时间的键数量的 25 %
            // 那么不再遍历
        } while (expired > ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_LOOKUPS_PER_LOOP/4);
    }
}

hz调大将会提高Redis主动淘汰的频率，如果你的Redis存储中包含很多冷数据占用内存过大的话，可以考虑将这个值调大，但Redis作者建议这个值不要超过100。我们实际线上将这个值调大到100，观察到CPU会增加2%左右，但对冷数据的内存释放速度确实有明显的提高（通过观察keyspace个数和used_memory大小）。

可以看出timelimit和server.hz是一个倒数的关系，也就是说hz配置越大，timelimit就越小。换句话说是每秒钟期望的主动淘汰频率越高，则每次淘汰最长占用时间就越短。这里每秒钟的最长淘汰占用时间是固定的250ms（1000000*ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_SLOW_TIME_PERC/100），而淘汰频率和每次淘汰的最长时间是通过hz参数控制的。

因此当redis中的过期key比率没有超过25%之前，提高hz可以明显提高扫描key的最小个数。假设hz为10，则一秒内最少扫描200个key（一秒调用10次*每次最少随机取出20个key），如果hz改为100，则一秒内最少扫描2000个key；另一方面，如果过期key比率超过25%，则扫描key的个数无上限，但是cpu时间每秒钟最多占用250ms。

当REDIS运行在主从模式时，只有主结点才会执行上述这两种过期删除策略，然后把删除操作”del key”同步到从结点。

Copyif (server.active_expire_enabled && server.masterhost == NULL)  // 判断是否是主节点 从节点不需要执行activeExpireCycle()函数。
        // 清除模式为 CYCLE_SLOW ，这个模式会尽量多清除过期键
        activeExpireCycle(ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_SLOW);

随机个数

redis.config.ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_LOOKUPS_PER_LOOP 决定每次循环从数据库 expire中随机挑选值的个数

逐出算法

如果不限制 reids 对内存使用的限制，它将会使用全部的内存。可以通过 config.memory 来指定redis 对内存的使用量。

下面是redis 配置文件中的说明

Copy 543 # Set a memory usage limit to the specified amount of bytes.
 544 # When the memory limit is reached Redis will try to remove keys
 545 # according to the eviction policy selected (see maxmemory-policy).
 546 #
 547 # If Redis can‘t remove keys according to the policy, or if the policy is
 548 # set to ‘noeviction‘, Redis will start to reply with errors to commands
 549 # that would use more memory, like SET, LPUSH, and so on, and will continue
 550 # to reply to read-only commands like GET.
 551 #
 552 # This option is usually useful when using Redis as an LRU or LFU cache, or to
 553 # set a hard memory limit for an instance (using the ‘noeviction‘ policy).
 554 #
 555 # WARNING: If you have replicas attached to an instance with maxmemory on,
 556 # the size of the output buffers needed to feed the replicas are subtracted
 557 # from the used memory count, so that network problems / resyncs will
 558 # not trigger a loop where keys are evicted, and in turn the output
 559 # buffer of replicas is full with DELs of keys evicted triggering the deletion
 560 # of more keys, and so forth until the database is completely emptied.
 561 #
 562 # In short... if you have replicas attached it is suggested that you set a lower
 563 # limit for maxmemory so that there is some free RAM on the system for replica
 564 # output buffers (but this is not needed if the policy is ‘noeviction‘).
 
将内存使用限制设置为指定的字节。当已达到内存限制Redis将根据所选的逐出策略（请参阅maxmemory策略）尝试删除数据。

如果Redis无法根据逐出策略移除密钥，或者策略设置为“noeviction”，Redis将开始对使用更多内存的命令（如set、LPUSH等）进行错误回复，并将继续回复只读命令，如GET。

当将Redis用作LRU或LFU缓存或设置实例的硬内存限制（使用“noeviction”策略）时，此选项通常很有用。

警告：如果将副本附加到启用maxmemory的实例，则将从已用内存计数中减去馈送副本所需的输出缓冲区的大小，这样，网络问题/重新同步将不会触发收回密钥的循环，而副本的输出缓冲区将充满收回的密钥增量，从而触发删除更多键，依此类推，直到数据库完全清空。

简而言之。。。如果附加了副本，建议您设置maxmemory的下限，以便系统上有一些空闲RAM用于副本输出缓冲区（但如果策略为“noeviction”，则不需要此限制）。

驱逐策略的配置

CopyMaxmemery-policy volatile-lru

当前已用内存超过 maxmemory 限定时，触发主动清理策略

易失数据清理

volatile-lru：只对设置了过期时间的key进行LRU（默认值）

volatile-random：随机删除即将过期key

volatile-ttl ：删除即将过期的

volatile-lfu：挑选最近使用次数最少的数据淘汰

全部数据清理

allkeys-lru ：删除lru算法的key

allkeys-lfu：挑选最近使用次数最少的数据淘汰

allkeys-random：随机删除

禁止驱逐

(Redis 4.0 默认策略)

noeviction ：永不过期，返回错误当mem_used内存已经超过maxmemory的设定，对于所有的读写请求都会触发redis.c/freeMemoryIfNeeded(void)函数以清理超出的内存。注意这个清理过程是阻塞的，直到清理出足够的内存空间。所以如果在达到maxmemory并且调用方还在不断写入的情况下，可能会反复触发主动清理策略，导致请求会有一定的延迟。

清理时会根据用户配置的maxmemory-policy来做适当的清理（一般是LRU或TTL），这里的LRU或TTL策略并不是针对redis的所有key，而是以配置文件中的maxmemory-samples个key作为样本池进行抽样清理。

maxmemory-samples在redis-3.0.0中的默认配置为5，如果增加，会提高LRU或TTL的精准度，redis作者测试的结果是当这个配置为10时已经非常接近全量LRU的精准度了，并且增加maxmemory-samples会导致在主动清理时消耗更多的CPU时间，建议：

1 尽量不要触发maxmemory，最好在mem_used内存占用达到maxmemory的一定比例后，需要考虑调大hz以加快淘汰，或者进行集群扩容。

2 如果能够控制住内存，则可以不用修改maxmemory-samples配置；如果Redis本身就作为LRU cache服务（这种服务一般长时间处于maxmemory状态，由Redis自动做LRU淘汰），可以适当调大maxmemory-samples。

这里提一句，实际上redis根本就不会准确的将整个数据库中最久未被使用的键删除，而是每次从数据库中随机取5个键并删除这5个键里最久未被使用的键。上面提到的所有的随机的操作实际上都是这样的，这个5可以用过redis的配置文件中的maxmemeory-samples参数配置。

数据逐出策略配置依据

使用INFO命令输出监控信息，查询缓存int和miss的次数，根据业务需求调优Redis配置。

redis