Redis 数据库及过期键的实现

一、服务器中的数据库

二、键的过期

Redis 可以设置键的生存时间或过期时间。

RedisDB 结构中的expires字典保存了数据库中所有键的过期时间，称这个字典为过期字典。

2.1 Redis 的过期键删除策略

Redis 服务器实际使用惰性删除和定期删除两种策略。通过配合两种删除策略，可以在CPU时间和避免浪费内存空间之间取得平衡。

2.2 惰性删除策略的实现

2.3 定期删除策略的实现

2.4 RDB 持久化对过期键的处理

2.5 AOF 持久化对过期键的处理

2.6 复制对过期键的处理

从服务器不删除过期键的目的是保证主从服务器数据的一致性。

三、数据淘汰策略

Redis 可以设置内存最大使用量maxmemory，当内存使用量超出时，会施行数据淘汰策略。

Redis 具体有 6 种淘汰策略

• volatile-lru: 从已设置过期时间的数据集中挑选最近最久使用的数据淘汰
• volatile-ttl: 从已设置过期时间的数据集中挑选将要过期的数据淘汰
• volatile-random: 从已设置过期时间的数据集中随机选择数据淘汰
• allkeys-lru: 从所有数据集中挑选最近最久使用的数据淘汰
• allkeys-random: 从所有数据集中随机数据进行淘汰
• noeviction: 禁止驱逐数据

执行if (mem_used <= server.maxmemory) return REDIS_OK;如果当前缓存数据占用的总的内存小于配置的maxmemory，则不用淘汰，直接返回。

如果当前缓存的数据使用的内存大于配置的maxmemory，并且淘汰策略不允许释放内存noeviction，则该函数返回失败。

接下来，局部变量mem_tofree表示需要淘汰的内存，局部变量mem_freed表示已经淘汰的内存。循环执行while (mem_freed < mem_tofree)淘汰缓存数据，该循环中的逻辑可以概括为:

1. 从全局的0号数据库开始(Redis默认有16个全局的数据库)，根据淘汰策略，选择该数据库中的哈希表。如果该哈希表为空，选择下一个全局数据库。
2. 根据淘汰策略，在相应哈希表中找到一个待淘汰的key，从该数据库对象中删除该key所对应的缓存数据。
3. 如果没有找到待淘汰的key，即无法淘汰所需的缓存数据大小，函数直接返回错误。
4. 如果当前访问的是最后一个全局数据库，并且已经淘汰了所需的缓存数据，则该函数成功返回。如果没有淘汰所需的缓存数据，则返回步骤1，并且从0号数据库重新淘汰。如果当前访问的不是最后一个全局数据库，则返回步骤1，从当前数据库的下一个数据库继续淘汰缓存数据。

如果淘汰策略是allkeys-random或者volatile-random，则从相应数据库中随机选择一个key进行淘汰。

如果淘汰策略是allkeys-lru或者volatile-lru，则根据配置的采样值maxmemory_samples，随机从数据库中选择maxmemory_samples个key，淘汰其中最近最久未使用的key对应的缓存数据。

如果淘汰策略是volatile-ttl，则根据配置的采样值maxmemory_samples，随机从数据库中选择maxmemory_samples个key，淘汰其中最先要超时的key对应的缓存数据。

所以采样参数maxmemory_samples配置的数值越大，就越能精确的查找到待淘汰的缓存数据，但是也消耗更多的CPU计算，执行效率降低。

使用LRU算法时会用到redisObject的lru属性，记录对象上次使用的时间。

使用 Redis 缓存数据时，为了提高缓存命中率，需要保证缓存数据都是热点数据。可以将内存最大使用量设置为热点数据占用的内存量，然后启用 allkeys-lru 淘汰策略，将最近最少使用-LRU的数据淘汰。

Redis 4.0 引入了 volatile-lfu 和 allkeys-lfu 淘汰策略，LFU 策略通过统计访问频率，将访问频率最少的键值对淘汰。