面试突击 002 | Redis 是如何处理已过期元素的？

Posted 2020-12-19

1 面试题

Redis 如何处理已过期的元素？
2 涉及知识点

此问题涉及以下知识点：

• 过期删除策略有哪些？
• 这些过期策略有哪些优缺点？
• Redis 使用的是什么过期策略？
• Redis 是如何优化和执行过期策略的？
  3 答案

常见的过期策略：

• 定时删除
• 惰性删除
• 定期删除
  1）定时删除

在设置键值过期时间时，创建一个定时事件，当过期时间到达时，由事件处理器自动执行键的删除操作。
① 优点

保证内存可以被尽快的释放
② 缺点

在 Redis 高负载的情况下或有大量过期键需要同时处理时，会造成 Redis 服务器卡顿，影响主业务执行。
2）惰性删除

不主动删除过期键，每次从数据库获取键值时判断是否过期，如果过期则删除键值，并返回 null。
① 优点

因为每次访问时，才会判断过期键，所以此策略只会使用很少的系统资源。
② 缺点

系统占用空间删除不及时，导致空间利用率降低，造成了一定的空间浪费。
③ Redis 源码解析

惰性删除的源码位于 src/db.c 文件的 expireIfNeeded 方法中，源码如下：

int expireIfNeeded(redisDb *db, robj *key) {
    // 判断键是否过期
    if (!keyIsExpired(db,key)) return 0;
    if (server.masterhost != NULL) return 1;
    /* 删除过期键 */
    // 增加过期键个数
    server.stat_expiredkeys++;
    // 传播键过期的消息
    propagateExpire(db,key,server.lazyfree_lazy_expire);
    notifyKeyspaceEvent(NOTIFY_EXPIRED,
        "expired",key,db->id);
    // server.lazyfree_lazy_expire 为 1 表示异步删除（懒空间释放），反之同步删除
    return server.lazyfree_lazy_expire ? dbAsyncDelete(db,key) :
                                         dbSyncDelete(db,key);
}
// 判断键是否过期
int keyIsExpired(redisDb *db, robj *key) {
    mstime_t when = getExpire(db,key);
    if (when < 0) return 0; /* No expire for this key */
    /* Don‘t expire anything while loading. It will be done later. */
    if (server.loading) return 0;
    mstime_t now = server.lua_caller ? server.lua_time_start : mstime();
    return now > when;
}
// 获取键的过期时间
long long getExpire(redisDb *db, robj *key) {
    dictEntry *de;
    /* No expire? return ASAP */
    if (dictSize(db->expires) == 0 ||
       (de = dictFind(db->expires,key->ptr)) == NULL) return -1;
    /* The entry was found in the expire dict, this means it should also
     * be present in the main dict (safety check). */
    serverAssertWithInfo(NULL,key,dictFind(db->dict,key->ptr) != NULL);
    return dictGetSignedIntegerVal(de);
}

所有对数据库的读写命令在执行之前，都会调用 expireIfNeeded 方法判断键值是否过期，过期则会从数据库中删除，反之则不做任何处理。
3）定期删除

每隔一段时间检查一次数据库，随机删除一些过期键。
Redis 默认每秒进行 10 次过期扫描，此配置可通过 Redis 的配置文件 redis.conf 进行配置，配置键为 hz 它的默认值是 hz 10 。
需要注意的是：Redis 每次扫描并不是遍历过期字典中的所有键，而是采用随机抽取判断并删除过期键的形式执行的。
定期删除的执行流程：

① 优点

通过限制删除操作的时长和频率，来减少删除操作对 Redis 主业务的影响，同时也能删除一部分过期的数据减少了过期键对空间的无效占用。
② 缺点

内存清理方面没有定时删除效果好，同时没有惰性删除使用的系统资源少。
③ Redis 源码解析

定期删除的核心源码在 src/expire.c 文件下的 activeExpireCycle 方法中，源码如下：

void activeExpireCycle(int type) {
    static unsigned int current_db = 0; /* 上次定期删除遍历到的数据库ID */
    static int timelimit_exit = 0;      /* Time limit hit in previous call? */
    static long long last_fast_cycle = 0; /* 上一次执行快速定期删除的时间点 */
    int j, iteration = 0;
    int dbs_per_call = CRON_DBS_PER_CALL; // 每次定期删除，遍历的数据库的数量
    long long start = ustime(), timelimit, elapsed;
    if (clientsArePaused()) return;
    if (type == ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_FAST) {
        if (!timelimit_exit) return;
        // ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_FAST_DURATION 是快速定期删除的执行时长
        if (start < last_fast_cycle + ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_FAST_DURATION*2) return;
        last_fast_cycle = start;
    }
    if (dbs_per_call > server.dbnum || timelimit_exit)
        dbs_per_call = server.dbnum;
    // 慢速定期删除的执行时长
    timelimit = 1000000*ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_SLOW_TIME_PERC/server.hz/100;
    timelimit_exit = 0;
    if (timelimit <= 0) timelimit = 1;
    if (type == ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_FAST)
        timelimit = ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_FAST_DURATION; /* 删除操作的执行时长 */
    long total_sampled = 0;
    long total_expired = 0;
    for (j = 0; j < dbs_per_call && timelimit_exit == 0; j++) {
        int expired;
        redisDb *db = server.db+(current_db % server.dbnum);
        current_db++;
        do {
            // .......
            expired = 0;
            ttl_sum = 0;
            ttl_samples = 0;
            // 每个数据库中检查的键的数量
            if (num > ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_LOOKUPS_PER_LOOP)
                num = ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_LOOKUPS_PER_LOOP;
            // 从数据库中随机选取 num 个键进行检查
            while (num--) {
                dictEntry *de;
                long long ttl;
                if ((de = dictGetRandomKey(db->expires)) == NULL) break;
                ttl = dictGetSignedInteger
                // 过期检查，并对过期键进行删除
                if (activeExpireCycleTryExpire(db,de,now)) expired++;
                if (ttl > 0) {
                    /* We want the average TTL of keys yet not expired. */
                    ttl_sum += ttl;
                    ttl_samples++;
                }
                total_sampled++;
            }
            total_expired += expired;
            if (ttl_samples) {
                long long avg_ttl = ttl_sum/ttl_samples;
                if (db->avg_ttl == 0) db->avg_ttl = avg_ttl;
                db->avg_ttl = (db->avg_ttl/50)*49 + (avg_ttl/50);
            }
            if ((iteration & 0xf) == 0) { /* check once every 16 iterations. */
                elapsed = ustime()-start;
                if (elapsed > timelimit) {
                    timelimit_exit = 1;
                    server.stat_expired_time_cap_reached_count++;
                    break;
                }
            }
            /* 每次检查只删除 ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_LOOKUPS_PER_LOOP/4 个过期键 */
        } while (expired > ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_LOOKUPS_PER_LOOP/4);
    }
    // .......
}

activeExpireCycle 方法在规定的时间，分多次遍历各个数据库，从过期字典中随机检查一部分过期键的过期时间，删除其中的过期键。
这个函数有两种执行模式，一个是快速模式一个是慢速模式，体现是代码中的 timelimit 变量，这个变量是用来约束此函数的运行时间的。快速模式下 timelimit 的值是固定的，等于预定义常量 ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_FAST_DURATION，慢速模式下，这个变量的值是通过 1000000*ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_SLOW_TIME_PERC/server.hz/100 计算的。
总结

本文讲了常见的过期删除策略：

• 定时删除
• 惰性删除
• 定期删除 而 Redis 使用的是惰性删除 + 定期删除的组合策略。
  【END】
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