1、简介
LRU有一个明显的缺点,它无法正确的表示一个Key的热度,如果一个key从未被访问过,仅仅发生内存淘汰的前一会儿被用户访问了一下,在LRU算法中这会被认为是一个热key。
例如如下图,keyA与keyB同时被set到Redis中,在内存淘汰发生之前,keyA被频繁的访问,而keyB只被访问了一次,但是这次访问的时间比keyA的任意一次访问时间都更接近内存淘汰触发的时间,如果keyA与keyB均被Redis选中进行淘汰,keyA将被优先淘汰。我想大家都不太希望keyA被淘汰吧,那么有没有更好的的内存淘汰机制呢?当然有,那就是LFU。
LFU(Least Frequently Used)是Redis 4.0 引入的淘汰算法,它通过key的访问频率比较来淘汰key,重点突出的是Frequently Used。
LRU与LFU的区别:
-
LRU -> Recently Used,根据最近一次访问的时间比较
-
LFU -> Frequently Used,根据key的访问频率比较
Redis4.0之后为maxmemory_policy淘汰策略添加了两个LFU模式(LRU请看我上一篇文章):
-
volatile-lfu:对有过期时间的key采用LFU淘汰算法
-
allkeys-lfu:对全部key采用LFU淘汰算法
2、实现方式
Redis分配一个字符串的最小空间占用是19字节,16字节(对象头)+3字节(SDS基本字段)。Redis的内存淘汰算法LRU/LFU均依靠其中的对象头中的lru来实现。
Redis对象头的内存结构:
typedef struct redisObject {
unsigned type:4; // 4 bits 对象的类型(zset、set、hash等)
unsigned encoding:4; // 4 bits 对象的存储方式(ziplist、intset等)
unsigned lru:24; // 24bits 记录对象的访问信息
int refcount; // 4 bytes 引用计数
void *ptr; // 8 bytes (64位操作系统),指向对象具体的存储地址/对象body
}
Redis对象头中的lru字段,在LRU模式下和LFU模式下使用方式并不相同。
2.1 LRU实现方式
在LRU模式,lru字段存储的是key被访问时Redis的时钟server.lrulock(Redis为了保证核心单线程服务性能,缓存了Unix操作系统时钟,默认每毫秒更新一次,缓存的值是Unix时间戳取模2^24)。当key被访问的时候,Redis会更新这个key的对象头中lru字段的值。
因此在LRU模式下,Redis可以根据对象头中的lru字段记录的值,来比较最后一次key的访问时间。
用Java代码演示一个简单的Redis-LRU算法:
- Redis对象头
package com.lizba.redis.lru;
/**
*
* Redis对象头
*
* @Author: Liziba
* @Date: 2021/9/22 22:40
*/
public class RedisHead {
/** 时间 */
private Long lru;
/** 具体数据 */
private Object body;
public RedisHead setLru(Long lru) {
this.lru = lru;
return this;
}
public RedisHead setBody(Object body) {
this.body = body;
return this;
}
public Long getLru() {
return lru;
}
public Object getBody() {
return body;
}
}
- Redis LRU实现代码
package com.lizba.redis.lru;
import java.util.Comparator;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
import java.util.stream.Collectors;
/**
*
* Redis中LRU算法的实现demo
*
* @Author: Liziba
* @Date: 2021/9/22 22:36
*/
public class RedisLruDemo {
/**
* 缓存容器
*/
private ConcurrentHashMap<String, RedisHead> cache;
/**
* 初始化大小
*/
private int initialCapacity;
public RedisLruDemo(int initialCapacity) {
this.initialCapacity = initialCapacity;
this.cache = new ConcurrentHashMap<>(initialCapacity);
;
}
/**
* 设置key/value 设置的时候更新LRU
* @param key
* @param body
*/
public void set(String key, Object body) {
// 触发LRU淘汰
synchronized (RedisLruDemo.class) {
if (!cache.containsKey(key) && cache.size() >= initialCapacity) {
this.flushLruKey();
}
}
RedisHead obj = this.getRedisHead().setBody(body).setLru(System.currentTimeMillis());
cache.put(key, obj);
}
/**
* 获取key,存在则更新LRU
* @param key
* @return
*/
public Object get(String key) {
RedisHead result = null;
if (cache.containsKey(key)) {
result = cache.get(key);
result.setLru(System.currentTimeMillis());
}
return result;
}
/**
* 清除LRU key
*/
private void flushLruKey() {
List sortData = cache.keySet()
.stream()
.sorted(Comparator.comparing(key -> cache.get(key).getLru()))
.collect(Collectors.toList());
String removeKey = sortData.get(0);
System.out.println( "淘汰 -> " + "lru : " + cache.get(removeKey).getLru() + " body : " + cache.get(removeKey).getBody());
cache.remove(removeKey);
if (cache.size() >= initialCapacity) {
this.flushLruKey();
}
return;
}
/**
* 获取所有数据测试用
* @return
*/
public List getAll() {
return cache.keySet().stream().map(key -> cache.get(key)).collect(Collectors.toList());
}
private RedisHead getRedisHead() {
return new RedisHead();
}
}
- 测试代码
package com.lizba.redis.lru;
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
/**
*
* 测试LRU
*
* @Author: Liziba
* @Date: 2021/9/22 22:51
*/
public class TestRedisLruDemo {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
RedisLruDemo demo = new RedisLruDemo(10);
// 先加入10个key,此时cache达到容量,下次加入会淘汰key
for (int i = 0; i < 10; i++) {
demo.set(i + “”, i);
}
// 随机访问前十个key,这样可以保证下次加入时随机淘汰
for (int i = 0; i < 20; i++) {
int nextInt = new Random().nextInt(10);
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
demo.get(nextInt + “”);
}
// 再次添加5个key,此时每次添加都会触发淘汰
for (int i = 10; i < 15; i++) {
demo.set(i + “”, i);
}
System.out.println(“-------------------------------------------”);
demo.getAll().forEach( redisHead -> System.out.println("剩余 -> " + "lru : " + redisHead.getLru() + " body : " + redisHead.getBody()));
}
}
- 测试结果
2.2 LFU实现方式
在LFU模式下,Redis对象头的24bit lru字段被分成两段来存储,高16bit存储ldt(Last Decrement Time),低8bit存储logc(Logistic Counter)。
2.2.1 ldt(Last Decrement Time)
高16bit用来记录最近一次计数器降低的时间,由于只有8bit,存储的是Unix分钟时间戳取模2^16,16bit能表示的最大值为65535(65535/24/60≈45.5),大概45.5天会折返(折返指的是取模后的值重新从0开始)。
Last Decrement Time计算的算法源码:
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