保存過期時間

Redis可以為每個key設(shè)置過期時間，會將每個設(shè)置了過期時間的key放入一個獨(dú)立的字典中。

typedef struct redisDb { 
int id; //id是數(shù)據(jù)庫序號，為0-15(默認(rèn)Redis有16個數(shù)據(jù)庫) 
long avg_ttl; //存儲的數(shù)據(jù)庫對象的平均ttl(time to live)，用于統(tǒng)計(jì) 
dict *dict; //存儲數(shù)據(jù)庫所有的key-value 
dict *expires; //存儲key的過期時間 
dict *blocking_keys;//blpop 存儲阻塞key和客戶端對象 
dict *ready_keys;//阻塞后push 響應(yīng)阻塞客戶端 存儲阻塞后push的key和客戶端對象 dict *watched_keys;//存儲watch監(jiān)控的的key和客戶端對象 
} redisDb;

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

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

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

簡單地總結(jié)來說就是，設(shè)置了失效時間的key和具體的失效時間全部都維護(hù)在 expires 這個字典表中。

設(shè)置過期時間

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有四個不同的命令可以用于設(shè)置鍵的生存時間（鍵可以生存多久）或過期時間（鍵什么時候會被刪除）:

expire 命令用于將鍵key的生存時間設(shè)置為ttl秒

pexpire 命令用于將鍵key的生存時間設(shè)置為ttl毫秒

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

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

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

過期策略

如果一個鍵過期了，那什么時候被刪除呢？

有三種過期策略

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

定時刪除

• 優(yōu)點(diǎn)

1、對內(nèi)存最友好：通過使用定時器，可以保證過期的鍵會盡可能快地被刪除，釋放所占內(nèi)存

• 缺點(diǎn)

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

惰性刪除

• 優(yōu)點(diǎn)

1、對cpu最友好：只有在取出鍵的時候才會對過期鍵進(jìn)行檢查，即不需要cpu定期掃描，也不需要創(chuàng)建大量的定時器。

• 缺點(diǎn)

1、對內(nèi)存最不友好：如果一個鍵已經(jīng)過期，但是后面不會被訪問到的話，那么就一直保留在數(shù)據(jù)庫中。如果這樣的鍵過多，無疑會占用很大的內(nèi)存。

定期刪除

定期刪除是上面的定時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間執(zhí)行一次過期鍵操作，并通過限制刪除操作執(zhí)行的時長和頻率來減少刪除操作對cpu時間的影響。

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

• 缺點(diǎn) 難以確定刪除操作執(zhí)行的時長和頻率

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

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

Redis的過期策略

Redis使用是惰性刪除和定期刪除兩種策略：通過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)，所有讀寫數(shù)據(jù)庫的Redis命令在執(zhí)行之前都會調(diào)用expireIfNeed函數(shù)對輸入鍵進(jìn)行檢查：

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

命令調(diào)用expireIfNeeded函數(shù)過程如下圖

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

定期刪除策略的實(shí)現(xiàn)

過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，activeExpireCycle函數(shù)就會被調(diào)用，它在規(guī)定時間內(nèi)，分多次遍歷服務(wù)器中各個數(shù)據(jù)庫。

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

(1)從過期字典中隨機(jī)選出 20個 key。

(2)刪除這 20 個 key 中已經(jīng)過期的 key。

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

假設(shè)一個大型的 Redis 實(shí)例中所有的 key 在同一時間過期了，會出現(xiàn)怎樣的結(jié)果呢?

消耗cpu

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

導(dǎo)致請求卡頓或超時

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

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

參考：

《Redis的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》

《Redis深度歷險(xiǎn)》

總結(jié)