Day750.Redis缓存淘汰替换策略：Redis是如何工作的 -Redis 核心技术与实战

Posted 2022-09-26 阿昌喜欢吃黄桃

Redis缓存淘汰替换策略

Hi，阿昌来也，今天学习记录的是关于Redis缓存淘汰替换策略。

Redis 缓存使用内存来保存数据，避免业务应用从后端数据库中读取数据，可以提升应用的响应速度。

那么，如果把所有要访问的数据都放入缓存，是不是一个很好的设计选择呢？其实，这样做的性价比反而不高。

举个例子吧。mysql 中有 1TB 的数据，如果我们使用 Redis 把这 1TB 的数据都缓存起来，虽然应用都能在内存中访问数据了，但是，这样配置并不合理，因为性价比很低。

• 一方面，1TB 内存的价格大约是 3.5 万元，而 1TB 磁盘的价格大约是 1000 元。成本高
• 另一方面，数据访问都是有局部性的，也就是我们通常所说的“八二原理”，80% 的请求实际只访问了 20% 的数据。数据访问覆盖率不高

所以，用 1TB 的内存做缓存，并没有必要。为了保证较高的性价比，缓存的空间容量必然要小于后端数据库的数据总量。

不过，内存大小毕竟有限，随着要缓存的数据量越来越大，有限的缓存空间不可避免地会被写满。

此时，该怎么办呢？解决这个问题就涉及到缓存系统的一个重要机制，即缓存数据的淘汰机制。

简单来说，数据淘汰机制包括两步：

• 第一，根据一定的策略，筛选出对应用访问来说“不重要”的数据；
• 第二，将这些数据从缓存中删除，为新来的数据腾出空间，这聊聊缓存满了之后的数据淘汰机制。

通常，也把它叫作缓存替换机制，同时还会讲到一系列选择淘汰数据的具体策略。

了解了数据淘汰机制和相应策略，才可以选择合理的 Redis 配置，提高缓存命中率，提升应用的访问性能。

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一、设置多大的缓存容量合适？

缓存容量设置得是否合理，会直接影响到使用缓存的性价比。

通常希望以最小的代价去获得最大的收益，所以，把昂贵的内存资源用在关键地方就非常重要了。

就像我刚才说的，实际应用中的数据访问是具有局部性的。

下面有一张图，图里有红、蓝两条线，显示了不同比例数据贡献的访问量情况。

蓝线代表了“八二原理”表示的数据局部性，而红线则表示在当前应用负载下，数据局部性的变化。

先看看蓝线。它表示的就是“八二原理”，有 20% 的数据贡献了 80% 的访问了，而剩余的数据虽然体量很大，但只贡献了 20% 的访问量。

这 80% 的数据在访问量上就形成了一条长长的尾巴，也称为“长尾效应”。

所以，如果按照“八二原理”来设置缓存空间容量，也就是把缓存空间容量设置为总数据量的 20% 的话，就有可能拦截到 80% 的访问。

为什么说是“有可能”呢？这是因为，“八二原理”是对大量实际应用的数据访问情况做了统计后，得出的一个统计学意义上的数据量和访问量的比例。

具体到某一个应用来说，数据访问的规律会和具体的业务场景有关。

对于最常被访问的 20% 的数据来说，它们贡献的访问量，既有可能超过 80%，也有可能不到 80%。

再通过一个电商商品的场景，来说明下“有可能”这件事儿。

• 一方面，在商品促销时，热门商品的信息可能只占到总商品数据信息量的 5%，而这些商品信息承载的可能是超过 90% 的访问请求。这时，只要缓存这 5% 的数据，就能获得很好的性能收益。

• 另一方面，如果业务应用要对所有商品信息进行查询统计，这时候，即使按照“八二原理”缓存了 20% 的商品数据，也不能获得很好的访问性能，因为 80% 的数据仍然需要从后端数据库中获取。

接下来，再看看数据访问局部性示意图中的红线。近年来，有些研究人员专门对互联网应用（例如视频播放网站）中，用户请求访问内容的分布情况做过分析，得到了这张图中的红线。

在这条红线上，80% 的数据贡献的访问量，超过了传统的长尾效应中 80% 数据能贡献的访问量。

原因在于，用户的个性化需求越来越多，在一个业务应用中，不同用户访问的内容可能差别很大，所以，用户请求的数据和它们贡献的访问量比例，不再具备长尾效应中的“八二原理”分布特征了。

也就是说，20% 的数据可能贡献不了 80% 的访问，而剩余的 80% 数据反而贡献了更多的访问量，我们称之为重尾效应。

正是因为 20% 的数据不一定能贡献 80% 的访问量，不能简单地按照“总数据量的 20%”来设置缓存最大空间容量。

在实践过程中，看到过的缓存容量占总数据量的比例，从 5% 到 40% 的都有。

这个容量规划不能一概而论，是需要结合应用数据实际访问特征和成本开销来综合考虑的。

系统的设计选择是一个权衡的过程：大容量缓存是能带来性能加速的收益，但是成本也会更高，而小容量缓存不一定就起不到加速访问的效果。一般来说，建议把缓存容量设置为总数据量的 15% 到 30%，兼顾访问性能和内存空间开销。

对于 Redis 来说，一旦确定了缓存最大容量，比如 4GB，你就可以使用下面这个命令来设定缓存的大小了：

CONFIG SET maxmemory 4gb

不过，缓存被写满是不可避免的。即使你精挑细选，确定了缓存容量，还是要面对缓存写满时的替换操作。

缓存替换需要解决两个问题：

• 决定淘汰哪些数据
• 如何处理那些被淘汰的数据。

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二、Redis 缓存有哪些淘汰策略？

Redis 4.0 之前一共实现了 6 种内存淘汰策略，在 4.0 之后，又增加了 2 种策略。

可以按照是否会进行数据淘汰把它们分成两类：

• 不进行数据淘汰的策略，只有 noeviction 这一种。
• 会进行淘汰的 7 种其他策略。

会进行淘汰的 7 种策略，我们可以再进一步根据淘汰候选数据集的范围把它们分成两类：

• 在设置了过期时间的数据中进行淘汰，包括 volatile-random、volatile-ttl、volatile-lru、volatile-lfu（Redis 4.0 后新增）四种。
• 在所有数据范围内进行淘汰，包括 allkeys-lru、allkeys-random、allkeys-lfu（Redis 4.0 后新增）三种。

把这 8 种策略的分类，画到了一张图里：

下面我就来具体解释下各个策略。

默认情况下，Redis 在使用的内存空间超过 maxmemory 值时，并不会淘汰数据，也就是设定的 noeviction 策略。对应到 Redis 缓存，也就是指，一旦缓存被写满了，再有写请求来时，Redis 不再提供服务，而是直接返回错误。Redis 用作缓存时，实际的数据集通常都是大于缓存容量的，总会有新的数据要写入缓存，这个策略本身不淘汰数据，也就不会腾出新的缓存空间，不把它用在 Redis 缓存中。

再分析下 volatile-random、volatile-ttl、volatile-lru 和 volatile-lfu 这四种淘汰策略。它们筛选的候选数据范围，被限制在已经设置了过期时间的键值对上。也正因为此，即使缓存没有写满，这些数据如果过期了，也会被删除。例如，使用 EXPIRE 命令对一批键值对设置了过期时间后，无论是这些键值对的过期时间是快到了，还是 Redis 的内存使用量达到了 maxmemory 阈值，Redis 都会进一步按照 volatile-ttl、volatile-random、volatile-lru、volatile-lfu 这四种策略的具体筛选规则进行淘汰。

• volatile-ttl 在筛选时，会针对设置了过期时间的键值对，根据过期时间的先后进行删除，越早过期的越先被删除。
• volatile-random 就像它的名称一样，在设置了过期时间的键值对中，进行随机删除。
• volatile-lru 会使用 LRU 算法筛选设置了过期时间的键值对。
• volatile-lfu 会使用 LFU 算法选择设置了过期时间的键值对。

可以看到，volatile-ttl 和 volatile-random 筛选规则比较简单，而 volatile-lru 因为涉及了 LRU 算法，所以会在分析 allkeys-lru 策略时再详细解释。

volatile-lfu 使用了 LFU 算法，现在只需要知道，它是在 LRU 算法的基础上，同时考虑了数据的访问时效性和数据的访问次数，可以看作是对淘汰策略的优化。

相对于 volatile-ttl、volatile-random、volatile-lru、volatile-lfu 这四种策略淘汰的是设置了过期时间的数据，allkeys-lru、allkeys-random、allkeys-lfu 这三种淘汰策略的备选淘汰数据范围，就扩大到了所有键值对，无论这些键值对是否设置了过期时间。

它们筛选数据进行淘汰的规则是：

• allkeys-random 策略，从所有键值对中随机选择并删除数据；
• allkeys-lru 策略，使用 LRU 算法在所有数据中进行筛选。
• allkeys-lfu 策略，使用 LFU 算法在所有数据中进行筛选。

这也就是说，如果一个键值对被删除策略选中了，即使它的过期时间还没到，也需要被删除。

当然，如果它的过期时间到了但未被策略选中，同样也会被删除。

接下来，就看看 volatile-lru 和 allkeys-lru 策略都用到的 LRU 算法吧。

LRU 算法的全称是 Least Recently Used，从名字上就可以看出，这是按照最近最少使用的原则来筛选数据，最不常用的数据会被筛选出来，而最近频繁使用的数据会留在缓存中。

那具体是怎么筛选的呢？LRU 会把所有的数据组织成一个链表，链表的头和尾分别表示 MRU 端和 LRU 端，分别代表最近最常使用的数据和最近最不常用的数据。

看一个例子。

现在有数据 6、3、9、20、5。如果数据 20 和 3 被先后访问，它们都会从现有的链表位置移到 MRU 端，而链表中在它们之前的数据则相应地往后移一位。

因为，LRU 算法选择删除数据时，都是从 LRU 端开始，所以把刚刚被访问的数据移到 MRU 端，就可以让它们尽可能地留在缓存中。

如果有一个新数据 15 要被写入缓存，但此时已经没有缓存空间了，也就是链表没有空余位置了，那么，LRU 算法做两件事：

1. 数据 15 是刚被访问的，所以它会被放到 MRU 端；
2. 算法把 LRU 端的数据 5 从缓存中删除，相应的链表中就没有数据 5 的记录了。

其实，LRU 算法背后的想法非常朴素：

它认为刚刚被访问的数据，肯定还会被再次访问，所以就把它放在 MRU 端；

长久不访问的数据，肯定就不会再被访问了，所以就让它逐渐后移到 LRU 端，在缓存满时，就优先删除它。

不过，LRU 算法在实际实现时，需要用链表管理所有的缓存数据，这会带来额外的空间开销。而且，当有数据被访问时，需要在链表上把该数据移动到 MRU 端，如果有大量数据被访问，就会带来很多链表移动操作，会很耗时，进而会降低 Redis 缓存性能。

所以，在 Redis 中，LRU 算法被做了简化，以减轻数据淘汰对缓存性能的影响。

具体来说，Redis 默认会记录每个数据的最近一次访问的时间戳（由键值对数据结构 RedisObject 中的 lru 字段记录）。

然后，Redis 在决定淘汰的数据时，第一次会随机选出 N 个数据，把它们作为一个候选集合。

接下来，Redis 会比较这 N 个数据的 lru 字段，把 lru 字段值最小的数据从缓存中淘汰出去。

Redis 提供了一个配置参数 maxmemory-samples，这个参数就是 Redis 选出的数据个数 N。

例如，执行如下命令，可以让 Redis 选出 100 个数据作为候选数据集：

CONFIG SET maxmemory-samples 100

当需要再次淘汰数据时，Redis 需要挑选数据进入第一次淘汰时创建的候选集合。这儿的挑选标准是：

能进入候选集合的数据的 lru 字段值必须小于候选集合中最小的 lru 值。

当有新数据进入候选数据集后，如果候选数据集中的数据个数达到了 maxmemory-samples，Redis 就把候选数据集中 lru 字段值最小的数据淘汰出去。

这样一来，Redis 缓存不用为所有的数据维护一个大链表，也不用在每次数据访问时都移动链表项，提升了缓存的性能。

好了，到这里，就学完了除了使用 LFU 算法以外的 5 种缓存淘汰策略，三个使用建议。

- 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，我建议你使用 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。
• 如果你的业务中有置顶的需求，比如置顶新闻、置顶视频，那么，可以使用 volatile-lru 策略，同时不给这些置顶数据设置过期时间。这样一来，这些需要置顶的数据一直不会被删除，而其他数据会在过期时根据 LRU 规则进行筛选。

一旦被淘汰的数据被选定后，Redis 怎么处理这些数据呢？这就要说到缓存替换时的具体操作了。

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三、如何处理被淘汰的数据？

一般来说，一旦被淘汰的数据选定后，如果这个数据是干净数据，那么我们就直接删除；

如果这个数据是脏数据，需要把它写回数据库，如下图所示：

那怎么判断一个数据到底是干净的还是脏的呢？

干净数据和脏数据的区别就在于，和最初从后端数据库里读取时的值相比，有没有被修改过。

干净数据一直没有被修改，所以后端数据库里的数据也是最新值。在替换时，它可以被直接删除。

脏数据就是曾经被修改过的，已经和后端数据库中保存的数据不一致了。此时，如果不把脏数据写回到数据库中，这个数据的最新值就丢失了，就会影响应用的正常使用。

这么一来，缓存替换既腾出了缓存空间，用来缓存新的数据，同时，将脏数据写回数据库，也保证了最新数据不会丢失。

不过，对于 Redis 来说，它决定了被淘汰的数据后，会把它们删除。

即使淘汰的数据是脏数据，Redis 也不会把它们写回数据库。

所以，在使用 Redis 缓存时，如果数据被修改了，需要在数据修改时就将它写回数据库。

否则，这个脏数据被淘汰时，会被 Redis 删除，而数据库里也没有最新的数据了。

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五、总结

介绍缓存替换时的数据淘汰策略，以及被淘汰数据的处理方法。

Redis 4.0 版本以后一共提供了 8 种数据淘汰策略，从淘汰数据的候选集范围来看，有两种候选范围：

• 一种是所有数据都是候选集，

• 一种是设置了过期时间的数据是候选集。

另外，无论是面向哪种候选数据集进行淘汰数据选择，都有三种策略，分别是随机选择，根据 LRU 算法选择，以及根据 LFU 算法选择。

当然，当面向设置了过期时间的数据集选择淘汰数据时，我们还可以根据数据离过期时间的远近来决定。

一般来说，缓存系统对于选定的被淘汰数据，会根据其是干净数据还是脏数据，选择直接删除还是写回数据库。但是，在 Redis 中，被淘汰数据无论干净与否都会被删除，所以，这是在使用 Redis 缓存时要特别注意的：

当数据修改成为脏数据时，需要在数据库中也把数据修改过来。选择哪种缓存策略是值得多加琢磨的，它在筛选数据方面是否能筛选出可能被再次访问的数据，直接决定了缓存效率的高与低。

很简单的一个对比，如果使用随机策略，刚筛选出来的要被删除的数据可能正好又被访问了，此时应用就只能花费几毫秒从数据库中读取数据了。

而如果使用 LRU 策略，被筛选出来的数据往往是经过时间验证了，如果在一段时间内一直没有访问，本身被再次访问的概率也很低了。

所以，建议是

先根据是否有始终会被频繁访问的数据（例如置顶消息），来选择淘汰数据的候选集，也就是决定是针对所有数据进行淘汰，还是针对设置了过期时间的数据进行淘汰。候选数据集范围选定后，建议优先使用 LRU 算法，也就是，allkeys-lru 或 volatile-lru 策略。

当然，设置缓存容量的大小也很重要，建议是：

结合实际应用的数据总量、热数据的体量，以及成本预算，把缓存空间大小设置在总数据量的 15% 到 30% 这个区间就可以。

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Redis在用作缓存时，使用只读缓存或读写缓存的哪种模式？

1、只读缓存模式：每次修改直接写入后端数据库，如果Redis缓存不命中，则什么都不用操作，如果Redis缓存命中，则删除缓存中的数据，待下次读取时从后端数据库中加载最新值到缓存中。

2、读写缓存模式+同步直写策略：由于Redis在淘汰数据时，直接在内部删除键值对，外部无法介入处理脏数据写回数据库，所以使用Redis作读写缓存时，只能采用同步直写策略，修改缓存的同时也要写入到后端数据库中，从而保证修改操作不被丢失。但这种方案在并发场景下会导致数据库和缓存的不一致，需要在特定业务场景下或者配合分布式锁使用。

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当一个系统引入缓存时，需要面临最大的问题就是，如何保证缓存和后端数据库的一致性问题，最常见的3个解决方案分别是Cache Aside、Read/Write Throught和Write Back缓存更新策略。

1、Cache Aside策略：就是上面所讲的只读缓存模式。读操作命中缓存直接返回，否则从后端数据库加载到缓存再返回。写操作直接更新数据库，然后删除缓存。这种策略的优点是一切以后端数据库为准，可以保证缓存和数据库的一致性。缺点是写操作会让缓存失效，再次读取时需要从数据库中加载。这种策略是我们在开发软件时最常用的，在使用Memcached或Redis时一般都采用这种方案。

2、Read/Write Throught策略：应用层读写只需要操作缓存，不需要关心后端数据库。应用层在操作缓存时，缓存层会自动从数据库中加载或写回到数据库中，这种策略的优点是，对于应用层的使用非常友好，只需要操作缓存即可，缺点是需要缓存层支持和后端数据库的联动。

3、Write Back策略：类似于上面所讲的读写缓存模式+异步写回策略。写操作只写缓存，比较简单。而读操作如果命中缓存则直接返回，否则需要从数据库中加载到缓存中，在加载之前，如果缓存已满，则先把需要淘汰的缓存数据写回到后端数据库中，再把对应的数据放入到缓存中。这种策略的优点是，写操作飞快（只写缓存），缺点是如果数据还未来得及写入后端数据库，系统发生异常会导致缓存和数据库的不一致。这种策略经常使用在操作系统Page Cache中，或者应对大量写操作的数据库引擎中。

除了以上提到的缓存和数据库的更新策略之外，还有一个问题就是操作缓存或数据库发生异常时如何处理？例如缓存操作成功，数据库操作失败，或者反过来，还是有可能会产生不一致的情况。

比较简单的解决方案是，根据业务设计好更新缓存和数据库的先后顺序来降低影响，或者给缓存设置较短的有效期来降低不一致的时间。如果需要严格保证缓存和数据库的一致性，即保证两者操作的原子性，这就涉及到分布式事务问题了，常见的解决方案就是我们经常听到的两阶段提交（2PC）、三阶段提交（3PC）、TCC、消息队列等方式来保证了，方案也会比较复杂，一般用在对于一致性要求较高的业务场景中。

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