Redis 缓存过期删除/淘汰策略分析

Redis 缓存删除

Redis 键过期删除，定期删除（主动）和惰性删除（被动）
Redis 内存不足时，缓存淘汰策略

key 键过期删除

我们用 redis 作为缓存数据库，设置 k-v 数据的时候，可以给这条数据设置一个过期时间。比如，set 命令设置过期时间：

set testkey redisvalue EX 60

EX: 表示秒， EX 60 表示这个键值60秒后过期。

那好，现在就有一个问题了，redis 怎么检查数据缓存时间到期了？然后删除它。

想一想，检测到期数据一般有两种方法，

第一：主动检测

第二：被动检测

什么是主动？

第一种，就是每设置一个 kv 值时，给这个 kv 值设置一个定时器，给它计时，到期就删除。但是这样会给 cpu 造成很多压力。

另外一种，定期扫描 kv 值，检查到期值在删除。

什么是被动？

被动就是对这个数据有操作时候才检查它缓存时间是否到期，如果有到期，就删除。

删除步骤：

redis 会将每个设置了过期时间的 key 放到一个独立的字典集合中，以后会定时遍历这个字典来删除到期的 key。

定时遍历删除，默认情况每秒检查 10 次键的字典集合，每次从这个集合中随机检查 20 个键查看是否过期，过期就直接删除。删除后还有超过 25% 的集合中键过期，继续随机抽取 20 个键检测删除。

还有惰性删除，就是在客户端访问这个 key 时，redis 会对 key 的过期时间进行检查，过期了就删除。

Redis 内存不足时缓存淘汰策略

redis 的 8 种缓存淘汰策略

在 redis.conf 配置文件中，就可以看到 redis 缓存过期淘汰的设置项。

当 Redis 内存快要满的时候，redis 会执行缓存淘汰策略。

https://github.com/redis/redis/blob/6.2/redis.conf#L994

# MAXMEMORY POLICY: how Redis will select what to remove when maxmemory

# is reached. You can select one from the following behaviors:

#

# volatile-lru -> Evict using approximated LRU, only keys with an expire set.

# allkeys-lru -> Evict any key using approximated LRU.

# volatile-lfu -> Evict using approximated LFU, only keys with an expire set.

# allkeys-lfu -> Evict any key using approximated LFU.

# volatile-random -> Remove a random key having an expire set.

# allkeys-random -> Remove a random key, any key.

# volatile-ttl -> Remove the key with the nearest expire time (minor TTL)

# noeviction -> Don't evict anything, just return an error on write operations.

#

#

# The default is:

#

# maxmemory-policy noeviction

redis v6.2 版本配置。

maxmemory ， redis 提供了一个配置参数来设置 maxmemory（redis 最大可使用内存），这个参数来限制最大内存使用，实际内存超出了这个参数设置时，redis 就根据 maxmemory-policy 的设置策略删除键值，释放内存空间。

maxmemory-policy 设置，也就是内存淘汰策略，从 redis4.0 开始有8种缓存淘汰策略：

noeviction：默认设置。如果设置的空间满了，不会删除任何值，写操作请求时服务器直接返回错误。读、删除请求可以继续服务。

volatile-lru：淘汰设置了过期时间的 key，使用 lru 算法，最近最少使用的 key 先淘汰。注意，没有设置过期时间的 key 就不淘汰。why？我们是不是还有一些持久化 key 的需求。

allkeys-lru：上面 volatile-lru 是部分淘汰 key（设置了过期时间的 key）。而这个是淘汰所有的 key，不管有没有设置过期时间，都会淘汰。也是使用 lru 最近最少使用算法。

volatile-lfu：淘汰设置了过期时间的 key，使用 lfu 算法，使用频率最少的 key 先淘汰。

allkeys-lfu：淘汰所有的 key，根据 lfu 算法。

volatile-random：淘汰设置了过期时间的 key，随机算法。

allkeys-random：淘汰所有的 key，不管是否设置过期时间，随机算法。

volatile-ttl：淘汰设置了过期时间的 key，根据 key 的 ttl 剩余时间，也就是说 ttl 越小越先被淘汰。

说明：使用 lfu 淘汰算法的都是 redis4.0 以上版本。

缓存淘汰算法

lru：Least Recently Used，最近最少使用。
lfu：Least Frequently Used，使用频率最少的，最不经常使用。
random：随机算法。
ttl：根据 key 设置的 ttl 剩余时间。

random 和 ttl 这 2 种缓存淘汰算法容易理解。

但是 lru 和 lfu 不容易理解，他们的区别是什么呢？

LRU :

Least Recently Used，最近最少使用，与使用的最后一次时间有关，淘汰最近使用、时间离现在最久的。

算法思想:

如果一个数据最近一段时间没有被访问到，那么以后它被访问到的可能性也比较小。

LFU ：

Least Frequently Used，最近一段时间使用频率最少，与使用的次数有关，淘汰使用次数最少的。

LFU 是 redis4.0 以后才出现的,4.0 以前都是 LRU。那 LFU 解决的是什么问题呢？

看下面的图，来自 antirez 博客文章 Random notes on improving the Redis LRU algorithm:

~~~~~A~~~~~A~~~~~A~~~~A~~~~~A~~~~~A~~|

~~B~~B~~B~~B~~B~~B~~B~~B~~B~~B~~B~~B~|

~~~~~~~~~~C~~~~~~~~~C~~~~~~~~~C~~~~~~|

~~~~~D~~~~~~~~~~D~~~~~~~~~D~~~~~~~~~D|

每个波浪代表 1 秒，key A 每 5 秒访问一次，key B 每 2 秒访问一次，key C 和 key D 每 10 秒访问一次。"|" 表示访问结束。

看图，从结束 "|" 位置看（实际是以时间为标准看），D 是最近一次访问。但是，从上图整体来看， B 是使用次数最多，也就是访问频率最多。如果需要淘汰的话，应该淘汰 D 才合理，LFU 才是比较合理的策略。

如果是在一段时间内，数据使用频率更高的场景中，那么 LFU 算法比 LRU 算法命中率更高。

参考

Random notes on improving the Redis LRU algorithm - antirez