18 Redis 过期策略与源码分析 在 Redis 中我们可以给一些元素设置过期时间，那当它过期之后 Redis 是如何处理这些过期键呢？
过期键执行流程
Redis 之所以能知道那些键值过期，是因为在 Redis 中维护了一个字典，存储了所有设置了过期时间的键值，我们称之为过期字典。
过期键判断流程如下图所示：
过期键源码分析
过期键存储在 redisDb 结构中，源代码在 src/server.h 文件中： //* Redis database representation. There are multiple databases identified /* by integers from 0 (the default database) up to the max configured /* database. The database number is the ‘id’ field in the structure. // 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 // dict /blocking_keys; //* Keys with clients waiting for data (BLPOP)// dict /ready_keys; //* Blocked keys that received a PUSH // dict /watched_keys; //* WATCHED keys for MULTI/EXEC CAS // int id; // Database ID // long long avg_ttl; // Average TTL, just for stats // list /defrag_later; //* List of key names to attempt to defrag one by one, gradually. /*/ } redisDb;
小贴士：本文的所有源码都是基于 Redis 5。
过期键数据结构如下图所示：
过期策略
Redis 会删除已过期的键值，以此来减少 Redis 的空间占用，但因为 Redis 本身是单线的，如果因为删除操作而影响主业务的执行就得不偿失了，为此 Redis 需要制定多个（过期）删除策略来保证糟糕的事情不会发生。
常见的过期策略有以下三种：
- 定时删除
- 惰性删除
- 定期删除
下面分别来看每种策略有何不同。
定时删除
在设置键值过期时间时，创建一个定时事件，当过期时间到达时，由事件处理器自动执行键的删除操作。
- 优点：保证内存可以被尽快地释放。
- 缺点：在 Redis 高负载的情况下或有大量过期键需要同时处理时，会造成 Redis 服务器卡顿，影响主业务执行。
惰性删除
不主动删除过期键，每次从数据库获取键值时判断是否过期，如果过期则删除键值，并返回 null。
- 优点：因为每次访问时，才会判断过期键，所以此策略只会使用很少的系统资源。
- 缺点：系统占用空间删除不及时，导致空间利用率降低，造成了一定的空间浪费。
源码解析
惰性删除的源码位于 src/db.c 文件的 expireIfNeeded 方法中，源码如下： int expireIfNeeded(redisDb /db, robj /key) { // 判断键是否过期 if (!keyIsExpired(db,key)) return 0; if (server.masterhost != NULL) return 1; //* 删除过期键 // // 增加过期键个数 server.stat_expiredkeys++; // 传播键过期的消息 propagateExpire(db,key,server.lazyfree_lazy_expire); notifyKeyspaceEvent(NOTIFY_EXPIRED, “expired”,key,db->id); // server.lazyfree_lazy_expire 为 1 表示异步删除（懒空间释放），反之同步删除 return server.lazyfree_lazy_expire ? dbAsyncDelete(db,key) : dbSyncDelete(db,key); } // 判断键是否过期 int keyIsExpired(redisDb /db, robj /key) { mstime_t when = getExpire(db,key); if (when < 0) return 0; // No expire for this key // // Don’t expire anything while loading. It will be done later. // if (server.loading) return 0; mstime_t now = server.lua_caller ? server.lua_time_start : mstime(); return now > when; } // 获取键的过期时间 long long getExpire(redisDb /db, robj /key) { dictEntry /de; //* No expire? return ASAP // if (dictSize(db->expires) == 0 || (de = dictFind(db->expires,key->ptr)) == NULL) return -1; // The entry was found in the expire dict, this means it should also /* be present in the main dict (safety check). /*/ serverAssertWithInfo(NULL,key,dictFind(db->dict,key->ptr) != NULL); return dictGetSignedIntegerVal(de); }
所有对数据库的读写命令在执行之前，都会调用 expireIfNeeded 方法判断键值是否过期，过期则会从数据库中删除，反之则不做任何处理。
惰性删除执行流程，如下图所示：
定期删除
每隔一段时间检查一次数据库，随机删除一些过期键。
Redis 默认每秒进行 10 次过期扫描，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 。
需要注意的是：Redis 每次扫描并不是遍历过期字典中的所有键，而是采用随机抽取判断并删除过期键的形式执行的。
定期删除流程
- 从过期字典中随机取出 20 个键；
- 删除这 20 个键中过期的键；
- 如果过期 key 的比例超过 25%，重复步骤 1。
同时为了保证过期扫描不会出现循环过度，导致线程卡死现象，算法还增加了扫描时间的上限，默认不会超过 25ms。
定期删除执行流程，如下图所示：
- 优点：通过限制删除操作的时长和频率，来减少删除操作对 Redis 主业务的影响，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。
- 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。
源码解析
定期删除的核心源码在 src/expire.c 文件下的 activeExpireCycle 方法中，源码如下： void activeExpireCycle(int type) { static unsigned int current_db = 0; //* 上次定期删除遍历到的数据库ID // static int timelimit_exit = 0; // Time limit hit in previous call? // static long long last_fast_cycle = 0; // 上一次执行快速定期删除的时间点 // int j, iteration = 0; int dbs_per_call = CRON_DBS_PER_CALL; // 每次定期删除，遍历的数据库的数量 long long start = ustime(), timelimit, elapsed; if (clientsArePaused()) return; if (type == ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_FAST) { if (!timelimit_exit) return; // ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_FAST_DURATION 是快速定期删除的执行时长 if (start < last_fast_cycle + ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_FAST_DURATION/2) return; last_fast_cycle = start; } if (dbs_per_call > server.dbnum || timelimit_exit) dbs_per_call = server.dbnum; // 慢速定期删除的执行时长 timelimit = 1000000/ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_SLOW_TIME_PERC/server.hz/100; timelimit_exit = 0; if (timelimit <= 0) timelimit = 1; if (type == ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_FAST) timelimit = ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_FAST_DURATION; // 删除操作的执行时长 // long total_sampled = 0; long total_expired = 0; for (j = 0; j < dbs_per_call && timelimit_exit == 0; j++) { int expired; redisDb /db = server.db+(current_db % server.dbnum); current_db++; do { // ……. expired = 0; ttl_sum = 0; ttl_samples = 0; // 每个数据库中检查的键的数量 if (num > ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_LOOKUPS_PER_LOOP) num = ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_LOOKUPS_PER_LOOP; // 从数据库中随机选取 num 个键进行检查 while (num–) { dictEntry /de; long long ttl; if ((de = dictGetRandomKey(db->expires)) == NULL) break; ttl = dictGetSignedInteger // 过期检查，并对过期键进行删除 if (activeExpireCycleTryExpire(db,de,now)) expired++; if (ttl > 0) { // We want the average TTL of keys yet not expired. // ttl_sum += ttl; ttl_samples++; } total_sampled++; } total_expired += expired; if (ttl_samples) { long long avg_ttl = ttl_sum/ttl_samples; if (db->avg_ttl == 0) db->avg_ttl = avg_ttl; db->avg_ttl = (db->avg_ttl/50)/49 + (avg_ttl/50); } if ((iteration & 0xf) == 0) { //* check once every 16 iterations. // elapsed = ustime()-start; if (elapsed > timelimit) { timelimit_exit = 1; server.stat_expired_time_cap_reached_count++; break; } } // 每次检查只删除 ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_LOOKUPS_PER_LOOP/4 个过期键 /*/ } while (expired > ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_LOOKUPS_PER_LOOP/4); } // ……. }
activeExpireCycle 方法在规定的时间，分多次遍历各个数据库，从过期字典中随机检查一部分过期键的过期时间，删除其中的过期键。
这个函数有两种执行模式，一个是快速模式一个是慢速模式，体现是代码中的 timelimit 变量，这个变量是用来约束此函数的运行时间的。快速模式下 timelimit 的值是固定的，等于预定义常量 ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_FAST_DURATION，慢速模式下，这个变量的值是通过 1000000/*ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_SLOW_TIME_PERC/server.hz/100 计算的。
Redis 使用的过期策略
Redis 使用的是惰性删除加定期删除的过期策略。
小结
通过本文可知 Redis 是通过设置过期字典的形式来判断过期键的，Redis 采用的是惰性删除和定期删除的形式删除过期键的，Redis 的定期删除策略并不会遍历删除每个过期键，而是采用随机抽取的方式删除过期键，同时为了保证过期扫描不影响 Redis 主业务，Redis 的定期删除策略中还提供了最大执行时间，以保证 Redis 正常并高效地运行。
参考资料
https://learn.lianglianglee.com/%e4%b8%93%e6%a0%8f/Redis%20%e6%a0%b8%e5%bf%83%e5%8e%9f%e7%90%86%e4%b8%8e%e5%ae%9e%e6%88%98/18%20Redis%20%e8%bf%87%e6%9c%9f%e7%ad%96%e7%95%a5%e4%b8%8e%e6%ba%90%e7%a0%81%e5%88%86%e6%9e%90.md
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