Redis 内存回收策略

本文涉及的产品
Redis 开源版,标准版 2GB
推荐场景:
搭建游戏排行榜
云数据库 Tair(兼容Redis),内存型 2GB
简介: 删除策略的目标: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露。

Redis的内存回收机制主要体现在以下两个方面:


  • 删除到达过期时间的键对象。
  • 内存使用达到maxmemory上限时触发内存溢出控制策略。


过期删除策略


删除策略的目标: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露。


设置Redis键过期时间


先回顾一下Redis 提供的设置过期时间的命令:


  • EXPIRE:表示将键 key 的生存时间设置为 ttl 秒。
  • PEXPIRE:表示将键 key 的生存时间设置为 ttl 毫秒。
  • EXPIREAT:表示将键 key 的生存时间设置为 timestamp 所指定的秒数时间戳。
  • PEXPIREAT:表示将键 key 的生存时间设置为 timestamp 所指定的毫秒数时间戳。


在Redis内部实现中,前面三个设置过期时间的命令最后都会转换成最后一个PEXPIREAT 命令来完成。


其他相关命令还有:


  • 移除键的过期时间  PERSIST:表示将key的过期时间移除。
  • 返回键的剩余生存时间
  • TTL:以秒的单位返回键 key 的剩余生存时间。
  • PTTL:以毫秒的单位返回键 key 的剩余生存时间。


在Redis内部,每当我们设置一个键的过期时间时,Redis就会将该键带上过期时间存放到一个过期字典中。当我们查询一个键时,Redis便首先检查该键是否存在过期字典中,如果存在,那就获取其过期时间。然后将过期时间和当前系统时间进行比对,比系统时间大,那就没有过期;反之判定该键过期。


此外:


  • 对于字符串类型键,执行set命令会去掉过期时间,这个问题很容易在开发中被忽视
  • 如下是Redis源码中,set命令的函数setKey,可以看到最后执行了
  • removeExpire(db,key)函数去掉了过期时间:


void setKey(redisDb *db, robj *key, robj *val) {
  if (lookupKeyWrite(db,key) == NULL) {
      dbAdd(db,key,val);
  } else {
      dbOverwrite(db,key,val);
  }
  incrRefCount(val);
  // 去掉过期时间
  removeExpire(db,key);
  signalModifiedKey(db,key);
}


  • Redis不支持二级数据结构(例如哈希、列表)内部元素的过期功能,例如不能对列表类型的一个元素做过期时间设置。
  • setex命令作为set+expire的组合,不但是原子执行,同时减少了一次网络通讯的时间。


过期删除策略


通常删除某个key,我们有如下三种方式进行处理


1 定时删除


在设置某个key 的过期时间同时,我们创建一个定时器,让定时器在该过期时间到来时,立即执行对其进行删除的操作。


20.jpg


  • 优点:定时删除对内存是最友好的,能够保存内存的key一旦过期就能立即从内存中删除。
  • 缺点:对CPU最不友好,在过期键比较多的时候,删除过期键会占用一部分 CPU 时间,对服务器的响应时间和吞吐量造成影响。


2 惰性删除(Lazy delete)


设置该key 过期时间后,我们不去管它,当需要该key时,我们在检查其是否过期,如果过期,我们就删掉它,反之返回该key。


  • 优点:对 CPU友好,我们只会在使用该键时才会进行过期检查,对于很多用不到的key不用浪费时间进行过期检查。
  • 缺点:对内存不友好,如果一个键已经过期,但是一直没有使用,那么该键就会一直存在内存中,如果数据库中有很多这种使用不到的过期键,这些键便永远不会被删除,内存永远不会释放。从而造成内存泄漏。


3 定期删除


每隔一段时间,我们就对一些key进行检查,删除里面过期的key。


  • 优点:可以通过限制删除操作执行的时长和频率来减少删除操作对 CPU 的影响。另外定期删除,也能有效释放过期键占用的内存。
  • 缺点:难以确定删除操作执行的时长和频率。
  • 如果执行的太频繁,定期删除策略变得和定时删除策略一样,对CPU不友好。
  • 如果执行的太少,那又和惰性删除一样了,过期键占用的内存不会及时得到释放。
  • 另外最重要的是,在获取某个键时,如果某个键的过期时间已经到了,但是还没执行定期删除,那么就会返回这个键的值,这是业务不能忍受的错误


Redis 使用的过期删除策略


Redis所有的键都可以设置过期属性,内部保存在过期字典中。由于进程内保存大量的键,维护每个键精准的过期删除机制会导致消耗大量的CPU,对于单线程的Redis来说成本过高,因此Redis采用惰性删除和定时任务删除机制实现过期键的内存回收


21.jpg

惰性删除:Redis的惰性删除策略由 db.c/expireIfNeeded 函数实现,所有键读写命令执行之前都会调用 expireIfNeeded 函数对其进行检查,如果过期,则删除该键,然后执行键不存在的操作;未过期则不作操作,继续执行原有的命令。


定期删除:由redis.c/activeExpireCycle 函数实现,函数以一定的频率运行,每次运行时,都从一定数量的数据库中取出一定数量的随机键进行检查,并删除其中的过期键。注意:并不是一次运行就检查所有的库,所有的键,而是随机检查一定数量的键。


定期删除函数的运行频率,在Redis2.6版本中,规定每秒运行10次,大概100ms运行一次。在Redis2.8版本后,可以通过修改配置文件redis.conf 的 hz 选项来调整这个次数。


22.jpg


看上面对这个参数的解释,建议不要将这个值设置超过 100,否则会对CPU造成比较大的压力。


定时任务中删除过期键逻辑采用了自适应算法,根据键的过期比例、使用快慢两种速率模式回收键,流程如下图所示:


23.jpg


内存淘汰策略 (逐出算法)


当Redis所用内存达到maxmemory上限时会触发相应的溢出控制策略。


具体策略受maxmemory-policy参数控制,Redis支持8种策略(有关LFU算法的,是从Redis4.0以后版本才有):


24.jpg


  • noeviction:默认策略,不会删除任何数据,拒绝所有写入操作并返回客户端错误信息(error)OOM command not allowed when used memory,此时Redis只响应读操作。生产一般不会选用
  • allkeys-lru 利用LRU算法移除任何key (不管数据有没有设置超时属性,直到腾出足够空间为止)。
  • allkeys-lfu 利用LRU算法移除任何key (不管数据有没有设置超时属性,直到腾出足够空间为止)
  • volatile-lru:根据LRU算法删除设置了超时属性(expire)的键,直到腾出足够空间为止。如果没有可删除的键对象,回退到noeviction策略。
  • volatile-lfu:根据LFU算法删除设置了超时属性(expire)的键,直到腾出足够空间为止。如果没有可删除的键对象,回退到noeviction策略。
  • allkeys-random  无差别的随机移除,直到腾出足够空间为止。
  • volatile-random:随机删除过期键,直到腾出足够空间为止。
  • volatile-ttl:根据键值对象的ttl属性,删除最近将要过期数据。如果没有,回退到noeviction策略。


在redis.conf 配置文件中,可以设置淘汰方式:


25.jpg


内存溢出控制策略可以采用config set maxmemory-policy{policy}动态配置。Redis支持丰富的内存溢出应对策略,可以根据实际需求灵活定制,比如当设置volatile-lru策略时,保证具有过期属性的键可以根据LRU剔除,而未设置超时的键可以永久保留。还可以采用allkeys-lru策略把Redis变为纯缓存服务器使用。当Redis因为内存溢出删除键时,可以通过执行info stats命令查看evicted_keys指标找出当前Redis服务器已剔除的键数量。


LFU


LFU 算法(Least Frequently Used,最不经常使用):淘汰最近一段时间被访问次数最少的数据,以次数作为参考。


需要指出的是 :LRU 算法或者 TTL 算法都是不是很精确算法,而是一个近似的算法。


Redis 不会通过对全部的键值对进行比较来确定最精确的时间值,从而确定删除哪个键值对 , 因为这将消耗太多的时间 , 导致回收垃圾执行的时间太长 , 造成服务停顿。

当存在热点数据时,LRU的效率很好,但偶发性的、周期性的批量操作会导致LRU命中率急剧下降,缓存污染情况比较严重。这时使用LFU可能更好点


LRU


LRU算法, 最近最久未使用算法, Least Recently Used


下图是一个淘汰的流程:


26.jpg


在Redis中LRU算法是一个近似算法,默认情况下,Redis随机挑选5个键,并且从中选取一个最近最久未使用的key进行淘汰,在配置文件中可以通过maxmemory-samples的值来设置redis需要检查key的个数,但是检查的越多,耗费的时间也就越久,但是结构越精确(也就是Redis从内存中淘汰的对象未使用的时间也就越久~),设置多少,综合权衡吧


Redis 3.0对这个近似算法的优化


新算法会维护一个候选池(大小为16),池中的数据根据访问时间进行排序,第一次随机选取的key都会放入池中,随后每次随机选取的key只有在访问时间小于池中最小的时间才会放入池中,直到候选池被放满。当放满后,如果有新的key需要放入,则将池中最后访问时间最大(最近被访问)的移除。当需要淘汰时,需要从池中捞出最久没被访问的key淘汰掉就行了。


新旧算法的对比


下面的图片是Redis官方文档给出的新旧算法对比结果:


27.jpg


  • 浅灰色是被淘汰的数据
  • 灰色是没有被淘汰掉的老数据
  • 绿色是新加入的数据


可以看到3.0的效果明显比2.8的要得多,并且取样数越大,越接近标准的LRU算法

为什么Redis不使用真正的LRU ?


原因很简单,理论的LRU需要你占用更大的内存(每个key还需要保存前后key的地址), 但你从上图就可以看出Redis 3.0使用的近似LRU算法使用起来的效果几乎与理论的LRU等效了。


java实现LRU ?


Java自带的集合框架非常强大,实现LRU算法可以直接使用LinkedHashMap集合框架,简单实现的话,只需要重写 removeEldestEntry 方法即可。


import java.util.LinkedHashMap;
import java.util.Map.Entry;
public class LRUCache extends LinkedHashMap {
    private static final long serialVersionUID = 1L;
    private final int capacity;
    private long accessCount = 0;
    private long hitCount = 0;
    public LRUCache(int capacity) {
        super(capacity+1, 1.1f, true);
        this.capacity = capacity;
    }
    public String get(String key) {
        accessCount++;
        if (super.containsKey(key)) {
            hitCount++;
        }
        String value = (String)super.get(key);
        return value;
    }
      public boolean containsKey(String key) {
          accessCount++;
          if (super.containsKey(key)) {
              hitCount++;
              return true;
          } else {
              return false;
          }
      }
      protected boolean removeEldestEntry(Entry eldest) {
          return size() > capacity;
      }
      public long getAccessCount() {
          return accessCount;
      }
      public long getHitCount() {
          return hitCount;
      }
}


这是LinkedHashMap的一个构造函数,传入的第三个参数accessOrder为true的时候,就按访问顺序对LinkedHashMap排序,为false的时候就按插入顺序,默认是为false的。当把accessOrder设置为true后,就可以将最近访问的元素置于最前面。


public LinkedHashMap(int initialCapacity,
                     float loadFactor,
                     boolean accessOrder) {
    super(initialCapacity, loadFactor);
    this.accessOrder = accessOrder;
}


这是LinkedHashMap中另外一个方法,当返回true的时候,就会remove其中最久的元素,可以通过重写这个方法来控制缓存元素的删除,当缓存满了后,就可以通过返回true删除最久未被使用的元素,达到LRU的要求。


protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<K,V> eldest) {
    return false;
}




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