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从零实现redis(2)- expire 过期原理

·458 words·3 mins
WFUing
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WFUing
A graduate who loves coding.
Table of Contents

代码仓库
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https://github.com/WFUing/redis-cache/tree/release_0.0.3

背景知识——过期删除策略
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Redis 是可以对 key 设置过期时间的，因此需要有相应的机制将已过期的键值对删除，而做这个工作的就是过期键值删除策略。

如何设置过期时间？
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先说一下对 key 设置过期时间的命令。 设置 key 过期时间的命令一共有 4 个：

expire <key> <n>：设置 key 在 n 秒后过期，比如 expire key 100 表示设置 key 在 100 秒后过期； pexpire <key> <n>：设置 key 在 n 毫秒后过期，比如 pexpire key2 100000 表示设置 key2 在 100000 毫秒（100 秒）后过期。 expireat <key> <n>：设置 key 在某个时间戳（精确到秒）之后过期，比如 expireat key3 1655654400 表示 key3 在时间戳 1655654400 后过期（精确到秒）； pexpireat <key> <n>：设置 key 在某个时间戳（精确到毫秒）之后过期，比如 pexpireat key4 1655654400000 表示 key4 在时间戳 1655654400000 后过期（精确到毫秒）

当然，在设置字符串时，也可以同时对 key 设置过期时间，共有 3 种命令：

set <key> <value> ex <n> ：设置键值对的时候，同时指定过期时间（精确到秒）； set <key> <value> px <n> ：设置键值对的时候，同时指定过期时间（精确到毫秒）； setex <key> <n> <valule> ：设置键值对的时候，同时指定过期时间（精确到秒）。

如果你想查看某个 key 剩余的存活时间，可以使用 TTL <key> 命令。

# 设置键值对的时候，同时指定过期时间位 60 秒
> setex key1 60 value1
OK

# 查看 key1 过期时间还剩多少
> ttl key1
(integer) 56
> ttl key1
(integer) 52

如果突然反悔，取消 key 的过期时间，则可以使用 PERSIST <key> 命令。

# 取消 key1 的过期时间
> persist key1
(integer) 1

# 使用完 persist 命令之后，
# 查下 key1 的存活时间结果是 -1，表明 key1 永不过期 
> ttl key1 
(integer) -1

如何判定 key 已过期了？
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每当我们对一个 key 设置了过期时间时，Redis 会把该 key 带上过期时间存储到一个**过期字典（expires dict）**中，也就是说「过期字典」保存了数据库中所有 key 的过期时间。

过期字典存储在 redisDb 结构中，如下：

typedef struct redisDb {
    dict *dict;    /* 数据库键空间，存放着所有的键值对 */
    dict *expires; /* 键的过期时间 */
    ....
} redisDb;

过期字典数据结构结构如下：

  • 过期字典的 key 是一个指针，指向某个键对象；
  • 过期字典的 value 是一个 long long 类型的整数，这个整数保存了 key 的过期时间；

过期字典的数据结构如下图所示：

字典实际上是哈希表，哈希表的最大好处就是让我们可以用 O(1) 的时间复杂度来快速查找。当我们查询一个 key 时，Redis 首先检查该 key 是否存在于过期字典中：

  • 如果不在，则正常读取键值；
  • 如果存在，则会获取该 key 的过期时间，然后与当前系统时间进行比对，如果比系统时间大，那就没有过期，否则判定该 key 已过期。

过期键判断流程如下图所示：

过期删除策略有哪些？
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在说 Redis 过期删除策略之前，先跟大家介绍下，常见的三种过期删除策略：

  • 定时删除；
  • 惰性删除；
  • 定期删除；

定时删除策略

定时删除策略的做法是，在设置 key 的过期时间时，同时创建一个定时事件，当时间到达时，由事件处理器自动执行 key 的删除操作。

  • 定时删除策略的优点：可以保证过期 key 会被尽快删除，也就是内存可以被尽快地释放。因此，定时删除对内存是最友好的。
  • 定时删除策略的缺点：在过期 key 比较多的情况下，删除过期 key 可能会占用相当一部分 CPU 时间，在内存不紧张但 CPU 时间紧张的情况下，将 CPU 时间用于删除和当前任务无关的过期键上，无疑会对服务器的响应时间和吞吐量造成影响。所以，定时删除策略对 CPU 不友好。

惰性删除策略

惰性删除策略的做法是，不主动删除过期键，每次从数据库访问 key 时，都检测 key 是否过期，如果过期则删除该 key。

  • 惰性删除策略的优点：因为每次访问时，才会检查 key 是否过期，所以此策略只会使用很少的系统资源，因此，惰性删除策略对 CPU 时间最友好。
  • 惰性删除策略的缺点：如果一个 key 已经过期，而这个 key 又仍然保留在数据库中，那么只要这个过期 key 一直没有被访问，它所占用的内存就不会释放，造成了一定的内存空间浪费。所以，惰性删除策略对内存不友好。

定期删除策略

定期删除策略的做法是，每隔一段时间「随机」从数据库中取出一定数量的 key 进行检查，并删除其中的过期key。

  • 定期删除策略的优点：通过限制删除操作执行的时长和频率，来减少删除操作对 CPU 的影响，同时也能删除一部分过期的数据减少了过期键对空间的无效占用。
  • 定期删除策略的缺点：
    • 内存清理方面没有定时删除效果好，同时没有惰性删除使用的系统资源少。
    • 难以确定删除操作执行的时长和频率。如果执行的太频繁，定期删除策略变得和定时删除策略一样，对CPU不友好；如果执行的太少，那又和惰性删除一样了，过期 key 占用的内存不会及时得到释放。

Redis 过期删除策略是什么？
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前面介绍了三种过期删除策略，每一种都有优缺点，仅使用某一个策略都不能满足实际需求。

所以， Redis 选择「惰性删除+定期删除」这两种策略配和使用，以求在合理使用 CPU 时间和避免内存浪费之间取得平衡。

Redis 的惰性删除策略由 db.c 文件中的 expireIfNeeded 函数实现，代码如下：

int expireIfNeeded(redisDb *db, robj *key) {
    // 判断 key 是否过期
    if (!keyIsExpired(db,key)) return 0;
    ....
    /* 删除过期键 */
    ....
    // 如果 server.lazyfree_lazy_expire 为 1 表示异步删除，反之同步删除；
    return server.lazyfree_lazy_expire ? dbAsyncDelete(db,key) :
                                         dbSyncDelete(db,key);
}

Redis 在访问或者修改 key 之前，都会调用 expireIfNeeded 函数对其进行检查，检查 key 是否过期：

  • 如果过期，则删除该 key，至于选择异步删除，还是选择同步删除，根据 lazyfree_lazy_expire 参数配置决定（Redis 4.0版本开始提供参数），然后返回 null 客户端；
  • 如果没有过期，不做任何处理，然后返回正常的键值对给客户端；

惰性删除的流程图如下：

Redis 实现定期删除

再回忆一下，定期删除策略的做法：每隔一段时间「随机」从数据库中取出一定数量的 key 进行检查，并删除其中的过期key。

1、这个间隔检查的时间是多长呢？

在 Redis 中，默认每秒进行 10 次过期检查一次数据库，此配置可通过 Redis 的配置文件 redis.conf 进行配置，配置键为 hz 它的默认值是 hz 10。

特别强调下，每次检查数据库并不是遍历过期字典中的所有 key，而是从数据库中随机抽取一定数量的 key 进行过期检查。

2、随机抽查的数量是多少呢？

我查了下源码，定期删除的实现在 expire.c 文件下的 activeExpireCycle 函数中，其中随机抽查的数量由 ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_LOOKUPS_PER_LOOP 定义的，它是写死在代码中的，数值是 20。

也就是说，数据库每轮抽查时，会随机选择 20 个 key 判断是否过期。

接下来，详细说说 Redis 的定期删除的流程：

  1. 从过期字典中随机抽取 20 个 key；
  2. 检查这 20 个 key 是否过期，并删除已过期的 key；
  3. 如果本轮检查的已过期 key 的数量，超过 5 个（20/4），也就是「已过期 key 的数量」占比「随机抽取 key 的数量」大于 25%，则继续重复步骤 1；如果已过期的 key 比例小于 25%，则停止继续删除过期 key，然后等待下一轮再检查。

可以看到，定期删除是一个循环的流程。

那 Redis 为了保证定期删除不会出现循环过度，导致线程卡死现象，为此增加了定期删除循环流程的时间上限，默认不会超过 25ms。

针对定期删除的流程，我写了个伪代码：

do {
    //已过期的数量
    expired = 0；
    //随机抽取的数量
    num = 20;
    while (num--) {
        //1. 从过期字典中随机抽取 1 个 key
        //2. 判断该 key 是否过期，如果已过期则进行删除，同时对 expired++
    }
    
    // 超过时间限制则退出
    if (timelimit_exit) return;

  /* 如果本轮检查的已过期 key 的数量，超过 25%，则继续随机抽查，否则退出本轮检查 */
} while (expired > 20/4);

实现redis-cache的过期删除策略
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