保存過(guò)期時(shí)間

Redis可以為每個(gè)key設(shè)置過(guò)期時(shí)間，會(huì)將每個(gè)設(shè)置了過(guò)期時(shí)間的key放入一個(gè)獨(dú)立的字典中。

typedef struct redisDb { 
int id; //id是數(shù)據(jù)庫(kù)序號(hào)，為0-15(默認(rèn)Redis有16個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)) 
long avg_ttl; //存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)象的平均ttl(time to live)，用于統(tǒng)計(jì) 
dict *dict; //存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)所有的key-value 
dict *expires; //存儲(chǔ)key的過(guò)期時(shí)間 
dict *blocking_keys;//blpop 存儲(chǔ)阻塞key和客戶端對(duì)象 
dict *ready_keys;//阻塞后push 響應(yīng)阻塞客戶端 存儲(chǔ)阻塞后push的key和客戶端對(duì)象 dict *watched_keys;//存儲(chǔ)watch監(jiān)控的的key和客戶端對(duì)象 
} redisDb;

dict 用來(lái)維護(hù)一個(gè) Redis 數(shù)據(jù)庫(kù)中包含的所有 Key-Value 鍵值對(duì)，expires則用于維護(hù)一個(gè) Redis 數(shù)據(jù)庫(kù)中設(shè)置了失效時(shí)間的鍵(即key與失效時(shí)間的映射)。注意這里的失效時(shí)間是用毫秒的時(shí)間戳表示的，比如2022-01-02 22:45:02過(guò)期則value為1641134702000

當(dāng)我們使用expire命令設(shè)置一個(gè)key的失效時(shí)間時(shí)，Redis 首先到 dict 這個(gè)字典表中查找要設(shè)置的key是否存在，如果存在就將這個(gè)key和失效時(shí)間添加到 expires 這個(gè)字典表。

當(dāng)我們使用setex命令向系統(tǒng)插入數(shù)據(jù)時(shí)，Redis 首先將 Key 和 Value 添加到 dict 這個(gè)字典表中，然后將 Key 和失效時(shí)間添加到 expires 這個(gè)字典表中。注意setex只能用于字符串。

簡(jiǎn)單地總結(jié)來(lái)說(shuō)就是，設(shè)置了失效時(shí)間的key和具體的失效時(shí)間全部都維護(hù)在 expires 這個(gè)字典表中。

設(shè)置過(guò)期時(shí)間

expire的使用

expire命令的使用方法如下: expire key ttl(單位秒)

127.0.0.1:6379> expire name 2 #2秒失效 
(integer) 1 
127.0.0.1:6379> get name 
(nil) 
127.0.0.1:6379> set name zhangfei 
OK 
127.0.0.1:6379> ttl name #永久有效 
(integer) -1 
127.0.0.1:6379> expire name 30 #30秒失效 
(integer) 1 
127.0.0.1:6379> ttl name #還有24秒失效 
(integer) 24 
127.0.0.1:6379> ttl name #失效 
(integer) -2

Redis有四個(gè)不同的命令可以用于設(shè)置鍵的生存時(shí)間（鍵可以生存多久）或過(guò)期時(shí)間（鍵什么時(shí)候會(huì)被刪除）:

expire 命令用于將鍵key的生存時(shí)間設(shè)置為ttl秒

pexpire 命令用于將鍵key的生存時(shí)間設(shè)置為ttl毫秒

expireat 命令用于將鍵key的過(guò)期時(shí)間設(shè)置為timestamp所指定的秒數(shù)時(shí)間戳

pexpireat 命令用于將鍵key的過(guò)期時(shí)間設(shè)置為timestamp所指定的毫秒數(shù)時(shí)間戳

注意expire、pexpire、expireat最終實(shí)現(xiàn)都是通過(guò)pexpireat實(shí)現(xiàn)的，也就是說(shuō)無(wú)論客戶端執(zhí)行哪個(gè)命令，都會(huì)Redis都會(huì)轉(zhuǎn)換成pexpireat命令執(zhí)行。所以expires字典中存的時(shí)間是用毫秒時(shí)間戳表示的鍵的過(guò)期時(shí)間。

過(guò)期策略

如果一個(gè)鍵過(guò)期了，那什么時(shí)候被刪除呢？

有三種過(guò)期策略

• 定時(shí)刪除：在設(shè)置鍵的過(guò)期時(shí)間的同時(shí)，創(chuàng)建一個(gè)定時(shí)器，讓定時(shí)器在鍵的過(guò)期時(shí)間來(lái)臨時(shí)，立即執(zhí)行對(duì)鍵的刪除操作。（創(chuàng)建定時(shí)器刪除）
• 惰性刪除：放任鍵的過(guò)期不管，但是每次從鍵空間中獲取鍵時(shí)，都檢查取得的鍵是否過(guò)期，如果過(guò)期的話，就刪除該鍵；如果沒(méi)有過(guò)期，就返回該鍵。（使用的時(shí)候刪除）
• 定期刪除：每隔一段時(shí)間，程序就對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行一次檢查，刪除里面過(guò)期的鍵。至于要?jiǎng)h除多少過(guò)期鍵，以及要檢查多少個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，則有算法決定。（定期掃描刪除）

定時(shí)刪除

• 優(yōu)點(diǎn)

1、對(duì)內(nèi)存最友好：通過(guò)使用定時(shí)器，可以保證過(guò)期的鍵會(huì)盡可能快地被刪除，釋放所占內(nèi)存

• 缺點(diǎn)

1、對(duì)cpu最不友好：在過(guò)期鍵比較多的情況下，刪除過(guò)期鍵這一行為可能會(huì)占用相當(dāng)一部分cpu的時(shí)間，對(duì)服務(wù)器的響應(yīng)時(shí)間和吞吐量造成影響。

惰性刪除

• 優(yōu)點(diǎn)

1、對(duì)cpu最友好：只有在取出鍵的時(shí)候才會(huì)對(duì)過(guò)期鍵進(jìn)行檢查，即不需要cpu定期掃描，也不需要?jiǎng)?chuàng)建大量的定時(shí)器。

• 缺點(diǎn)

1、對(duì)內(nèi)存最不友好：如果一個(gè)鍵已經(jīng)過(guò)期，但是后面不會(huì)被訪問(wèn)到的話，那么就一直保留在數(shù)據(jù)庫(kù)中。如果這樣的鍵過(guò)多，無(wú)疑會(huì)占用很大的內(nèi)存。

定期刪除

定期刪除是上面的定時(shí)刪除和惰性刪除的一中折中方案。

• 優(yōu)點(diǎn)

1、定期刪除每隔一段時(shí)間執(zhí)行一次過(guò)期鍵操作，并通過(guò)限制刪除操作執(zhí)行的時(shí)長(zhǎng)和頻率來(lái)減少刪除操作對(duì)cpu時(shí)間的影響。

2、通過(guò)刪除過(guò)期鍵，能有效的減少因?yàn)檫^(guò)期鍵而帶來(lái)的內(nèi)存浪費(fèi)

• 缺點(diǎn) 難以確定刪除操作執(zhí)行的時(shí)長(zhǎng)和頻率

1、如果刪除操作執(zhí)行得太頻繁，或者執(zhí)行的時(shí)間太長(zhǎng)，定期刪除策略就會(huì)退化成定時(shí)刪除，以至于占用太多cpu的執(zhí)行時(shí)間。

2、如果刪除操作執(zhí)行的時(shí)間太少，或執(zhí)行時(shí)間太短，定期刪除策略又會(huì)和惰性刪除一樣，出現(xiàn)內(nèi)存浪費(fèi)。

Redis的過(guò)期策略

Redis使用是惰性刪除和定期刪除兩種策略：通過(guò)配好使用這兩種策略，服務(wù)器可以很好地在合理使用cpu時(shí)間和避免浪費(fèi)內(nèi)存空間之間取得平衡。

惰性刪除策略的實(shí)現(xiàn)

過(guò)期鍵的惰性刪除刪除策略由db.c/expireIfNeeded函數(shù)實(shí)現(xiàn)，所有讀寫(xiě)數(shù)據(jù)庫(kù)的Redis命令在執(zhí)行之前都會(huì)調(diào)用expireIfNeed函數(shù)對(duì)輸入鍵進(jìn)行檢查：

• 如果鍵已經(jīng)過(guò)期，那么expireIfNeeded函數(shù)將鍵刪除
• 如果鍵未過(guò)期，那么expireIfNeeded函數(shù)不做操作

命令調(diào)用expireIfNeeded函數(shù)過(guò)程如下圖

另外因?yàn)槊總€(gè)被訪問(wèn)的鍵都可能被刪除，所以每個(gè)命令都必須能同時(shí)處理鍵存在以及不存在的情況。 下圖表示get命令的執(zhí)行過(guò)程

定期刪除策略的實(shí)現(xiàn)

過(guò)期鍵的定期刪除策略由redis.c/activeExpireCycle函數(shù)實(shí)現(xiàn)，每當(dāng)Redis的服務(wù)器周期性操作redis.c/serverCron函數(shù)執(zhí)行時(shí)，activeExpireCycle函數(shù)就會(huì)被調(diào)用，它在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，分多次遍歷服務(wù)器中各個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)。

Redis 默認(rèn)每秒進(jìn)行 10 次過(guò)期掃描，過(guò)期掃描不會(huì)遍歷過(guò)期字典中所有的 key, 而是采用了一種簡(jiǎn)單的貪心策略，步驟如下。

(1)從過(guò)期字典中隨機(jī)選出 20個(gè) key。

(2)刪除這 20 個(gè) key 中已經(jīng)過(guò)期的 key。

(3)如果過(guò)期的 key的比例超過(guò) 1/4，那就重復(fù)步驟 (1)。 同時(shí)，為了保證過(guò)期掃描不會(huì)出現(xiàn)循環(huán)過(guò)度，導(dǎo)致結(jié)程卡死的現(xiàn)象，算法還增加了掃描時(shí)間的上限，默認(rèn)不會(huì)超過(guò) 25ms。

假設(shè)一個(gè)大型的 Redis 實(shí)例中所有的 key 在同一時(shí)間過(guò)期了，會(huì)出現(xiàn)怎樣的結(jié)果呢?

消耗cpu

Redis 會(huì)持續(xù)掃描過(guò)期字典(循環(huán)多次)，直到過(guò)期字典中過(guò)期的key變得稀疏，才會(huì)停止(循環(huán)次數(shù)明顯下降）。

導(dǎo)致請(qǐng)求卡頓或超時(shí)

當(dāng)客戶端請(qǐng)求到來(lái)時(shí)，服務(wù)器如果正好進(jìn)入過(guò)期掃描狀態(tài)，客戶端的請(qǐng)求將會(huì)等待至少 25ms 后才會(huì)進(jìn)行處理，如果客戶端將超時(shí)時(shí)間設(shè)置得比較短，比如 10ms，那么就會(huì)出現(xiàn)大量的連接因?yàn)槌瑫r(shí)而關(guān)閉 ，業(yè)務(wù)端就會(huì)出現(xiàn)很多異常

所以一定要注意過(guò)期時(shí)間，如果有大批量的key過(guò)期，要給過(guò)期時(shí)間設(shè)置一個(gè)隨機(jī)范圍，而不能全部在同一時(shí)間過(guò)期。

參考：

《Redis的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》

《Redis深度歷險(xiǎn)》

總結(jié)