Redis针对过期key的删除策略

Redis数据库键的过期时间都保存在过期字典中，可使用exit key 或ttl key 或者pttl key命令判断key是否过期。若内存中存放的key-value对较多，Redis应该如何才能保证不影响查询效率又能控制其中的有效缓存？(尽可能保证Redis中存放的key是未过期的key)。
这个问题有三种可能的答案，分别代表了三种不同的过期删除策略：

• 定时删除：在设置key的过期时间的同时，创建一个定时器，让定时器在key的过期时间来临时，立即执行对key的删除操作；
• 惰性删除：放任key过期不管，但是每次从key空间中获取key时，都检查取得的key是否过期，如果过期的话，就删除该key，如果没有过期就返回该key；
• 定期删除：每隔一段时间程序就对数据库进行一次检查，删除里面的过期key，至于要删除多少过期key，以及要检查多少个数据库，则由算法决定。
• 在这三种策略中，第一种和第三种是主动删除策略，第二种是被动删除策略。

1.定时删除：

定时删除策略对内存是最友好的：通过使用定时器，定时器删除策略可以保证过期key会尽可能快的被删除，并释放过期key所占用的内存。
另一方面定时删除策略缺点是，它对CPU时间是最不友好的：在过期key较多的情况下，删除过期key这一行为可能会占用相当一部分CPU时间，在内存不紧张但是CPU时间非常紧张的情况下，将CPU时间用在删除和当前任务无关的过期key上，无疑会对服务器的响应时间和吞吐量造成影响。

2.惰性删除：

惰性删除策略对CPU时间来说是最友好的：程序只会在取出key时才对key进行过期检查，这里可以保证删除过期key的操作只会在非做不可的情况下进行，并且删除的目标仅限于当前处理的key，这个策略不会在删除其他无关的过期key上花费任何CPU时间。
惰性删除策略的缺点是：它对内存是最不友好的：如果一个key已经过期，而这个key有仍然保留在数据库中，那么只要这个过期key不被删除，它所占用的内存就不会释放。
在使用惰性删除策略时，如果数据库中有非常多的过期key，而这些过期key又恰好没有被访问到的话，那么它们也许永远也不会被删除（除非用户手动执行FLUSHDB），我们甚至可以将这种情况看作是一种内存泄露——无用的垃圾数据占用大量内存，而服务器不能自己去释放他们，对于运行状态非常依赖内存的Redis服务器来说肯定不是一个好消息。
2.1惰性删除策略的实现：
过期key的惰性删除策略由db.c/expireIfNeeded函数实现，所有读写该数据库的Redis命令在执行前都会调用expireIfNeeded函数对输入key进行检查：

• 如果输入key已经过期，那么expireIfNeeded函数将输入key从数据库中删除；
• 如果输入key未过期那么expireIfNeeded函数不做任何操作。
  调用expireIfNeeded函数过程如下：
  
  expireIfNeeded函数就像一个过滤器，它可以在命令真正执行前，过滤掉过期的输入key，从而避免命令接触到过期key。另外因为每个被访问的key都可能因为过期而被expireIfNeeded函数删除，所以每个命令的实现函数都必须能同时处理key存在以及不存在的情况：
• 当key存在时：命令按照key存在的情况执行；
• 当key不存在或者因为过期而被expireIfNeeded函数删除时，命令按照key不存在的情况执行。

3.定期删除：

定期删除策略是定时删除策略和惰性删除策略的一个折中，既兼顾了内存占用又兼顾CPU时间，但是该策略的难点是确定删除操作执行的市场和频率：
1）如果删除操作执行的太频繁，或者执行时间太长，定期删除策略就会退化成定时删除策略，以至于将CPU时间过多的消耗在删除过期key上面；
2）如果删除操作执行的太少，或者执行的时间太短，定期删除策略又会和惰性删除策略一样，出现浪费内存的情况。
3.1定期删除策略的实现：
定期删除策略的实现由expire.c/activeExpireCycle函数实现。每当Redis的服务器周期性执行server.c/activeExpireCycle函数时，activeExpireCycle函数就会被调用，它在规定的时间内，分多次遍历服务器中的各个数据库，从数据库的expires字典中随机检查一部分key的过期时间，并删除其中的过期key。整个过程可用伪代码描述如下：

#默认每次检查的数据库数量
DEFAULT_DB_NUMBERS = 16
#默认每个数据库检查的键数量
DEFAULT_KEY_NUMBERS = 20
#全局变量，记录检查进度
current_db = 0
def activeExpireCycle():
#初始化要检查的数据库数量
#如果服务榕的数据库数量比DEFAULT DB NUMBERS 要小
#那么以服务器的数据库数量为准
if server.dbnum < DEFAULT_DB_NUMBERS :
db_numbers = server.dbnum
else :
db_numbers = DEFAULT_DB_NUMBERS
#遍历各个数据库
for i in range(db_numbers) :
#如果current_db 的值等于服务榕的数据库数量
#这表示检查程序已经遍历了服务榕的所有数据库一次
#将current_db重置为0 ，开始新的一轮遍历
if current_db == server.dbnum:
current_db = 0
#获取当前要处理的数据库
redisDB = server.db[current db)
#将数据库索引增1 ，指向下一个要处理的数据库
current_db += 1
#检查数据库键
for j in range(DEFAULT_KEY_NUMBERS):
#如果数据库中没有一个键带有过期时间，那么跳过这个数据库
if redisDB.expires.size () == 0: break
# 随机获取一个带有过期时间的键
key with_ttl = redisDb.expires.get_random_key ()
#检查键是否过期，如果过期就删除它
if is_expired (key with ttl):
delete_key (key_with_ttl )
#已达到时间上限，停止处理
if reach_time_limit(): return

activeExpireCycle函数工作模式可总结如下：

• 函数每次运行时，都从一定数量的数据库中取出一定数量的随机key进行检查并删除其中的过期key；
• 全局变量current_db会记录当前activeExpireCycle函数检查的进度，并在下一次activeExpireCycle被调用时接着上一次的进度进行处理。

• 随着activeExpireCycle函数的不断执行，服务器中的所有数据库都会被检查一遍，这时函数将current_db变量重置为0，然后再次开始新一轮的检查工作。

  在调用定期删除策略时需要传个type参数，用以区分是用“快速模式”还是“正常模式”。
  在“正常模式”下，会遍历每一个编号下的库，然后最多随机获取20个带过期时间的key（20是宏ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_LOOKUPS_PER_LOOP的默认值），倘若key太多则直接return了。接着调用redis.c/activeExpireCycleTryExpire函数尝试去删除它，能删除成功则再发送expired的pub通知给订阅者即可。定期删除的定时时长是100ms.

在Redis服务器实际使用的是惰性删除策略和定期删除策略两种策略：通过配合使用这两种删除策略，服务器可以很好的在合理使用CPU时间和避免浪费内存空间之间取得平衡。