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Redis的过期策略和内存淘汰策略最全总结与分析

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文章前言

提到内存管理，我们就需要考虑Redis的内存过期策略和内存淘汰机制。该文章便从这两方面入手，分享一些在Redis内存方面相关的基础知识。

文章中使用的示例版本为Redis5.0版本。

内存过期策略

内存过期策略主要的作用就是，在缓存过期之后，能够及时的将失效的缓存从内存中删除，以减少内存的无效暂用，达到释放内存的目的。

过期策略分类

Redis内存过期策略分为三类，定时策略、惰性策略和定期策略。

定时策略

含义：在设置key的过期时间的同时，为该key创建一个定时器，让定时器在key的过期时间来临时，对key进行删除。

优点：保证内存被尽快释放，减少无效的缓存暂用内存。

缺点：若过期key很多，删除这些key会占用很多的CPU时间，在CPU时间紧张的情况下，CPU不能把所有的时间用来做要紧的事儿，还需要去花时间删除这些key。定时器的创建耗时，若为每一个设置过期时间的key创建一个定时器（将会有大量的定时器产生），性能影响严重。一般来说，是不会选择该策略模式。

惰性策略

含义：key过期的时候不删除，每次从数据库获取key的时候去检查是否过期，若过期，则删除，返回null。

优点：删除操作只发生在从数据库取出key的时候发生，而且只删除当前key，所以对CPU时间的占用是比较少的，而且此时的删除是已经到了非做不可的地步（如果此时还不删除的话，我们就会获取到了已经过期的key了）。

缺点：若大量的key在超出超时时间后，很久一段时间内，都没有被获取过，此时的无效缓存是永久暂用在内存中的，那么可能发生内存泄露（无用的垃圾占用了大量的内存）。

定期策略

含义：每隔一段时间对设置了缓存时间的key进行检测，如果可以已经失效，则从内存中删除，如果未失效，则不作任何处理。

优点：通过限制删除操作的时长和频率，来减少删除操作对CPU时间的占用–处理"定时删除"的缺点
定期删除过期key–处理"惰性删除"的缺点。

缺点:在内存友好方面，不如"定时删除"，因为是随机遍历一些key，因此存在部分key过期，但遍历key时，没有被遍历到，过期的key仍在内存中。在CPU时间友好方面，不如"惰性删除"，定期删除也会暂用CPU性能消耗。

难点:合理设置删除操作的执行时长（每次删除执行多长时间）和执行频率（每隔多长时间做一次删除）（这个要根据服务器运行情况来定了）

该方式不是去便利所有的ky，而是随机抽取一些key做过期检测。

策略注意事项

过期策略对持久化存储的影响

持久化存储，指的是将内存的缓存永久存在磁盘中。也就是说我们的AOF和RDB持久化存储方式。因为该两种方式，将内存中的数据写入磁盘，这时候就需要考虑到我们过期的缓存是否会被写入到磁盘中？如果写入磁盘又是怎么处理的？

RDB持久化

持久化key之前，会检查是否过期，过期的key不进入RDB文件。

数据载入数据库之前，会对key先进行过期检查，如果过期，不导入数据库（主库情况）。

AOF持久化

当key过期后，还没有被删除，此时进行执行持久化操作（该key是不会进入aof文件的，因为没有发生修改命令）。

当key过期后，在发生删除操作时，程序会向aof文件追加一条del命令（在将来的以aof文件恢复数据的时候该过期的键就会被删掉）。

因为AOF方式，向存储文件追加的是Redis的操作命令，而不是具体的数据，然而RDB确是存储的安全的二进制内容。

重写时，会先判断key是否过期，已过期的key不会重写到aof文件。

即使在重写时，不验证是否过期，然而追加了del命令，测试无效的key同样会被删除。判断的情况是为了防止没有加入del命令的key。

内存淘汰机制

定义说明

内存淘汰机制针对是内存不足的情况下的一种Redis处理机制。例如，当前的Redis存储已经超过内存限制了，然而我们的业务还在继续往Redis里面追加缓存内容，这时候Redis的淘汰机制就起到作用了。

淘汰机制分类

根据redis.conf的配置文件中，我们可以得出，主要分为如下六种淘汰机制。

# volatile-lru -> Evict using approximated LRU among the keys with an expire set.
# allkeys-lru -> Evict any key using approximated LRU.
# volatile-lfu -> Evict using approximated LFU among the keys with an expire set.
# allkeys-lfu -> Evict any key using approximated LFU.
# volatile-random -> Remove a random key among the ones with an expire set.
# allkeys-random -> Remove a random key, any key.
# volatile-ttl -> Remove the key with the nearest expire time (minor TTL)
# noeviction -> Don't evict anything, just return an error on write operations.

这六种机制主要是什么意思内，下面是分别针对上面的几种机制做一个说明。

volatile-lru：当内存不足以容纳新写入数据时，在设置了过期时间的键空间中，移除最近最少使用的key。

allkeys-lru：当内存不足以容纳新写入数据时，在键空间中，移除最近最少使用的key（这个是最常用的）。

volatile-lfu：当内存不足以容纳新写入数据时，在过期密集的键中，使用LFU算法进行删除key。

allkeys-lfu：当内存不足以容纳新写入数据时，使用LFU算法移除所有的key。

volatile-random：当内存不足以容纳新写入数据时，在设置了过期的键中，随机删除一个key。

allkeys-random：当内存不足以容纳新写入数据时，随机删除一个或者多个key。

volatile-ttl：当内存不足以容纳新写入数据时，在设置了过期时间的键空间中，有更早过期时间的key优先移除。

noeviction：当内存不足以容纳新写入数据时，新写入操作会报错。

内存管理配置翻译

# Set a memory usage limit to the specified amount of bytes.
#将内存使用限制设置为指定的字节数。
# When the memory limit is reached Redis will try to remove keys
#当达到内存限制时，Redis将尝试删除密钥
# according to the eviction policy selected (see maxmemory-policy).
#根据所选的逐出策略（请参阅maxmemory策略）。
#
#
# If Redis can't remove keys according to the policy, or if the policy is
#如果Redis不能根据策略删除密钥，或者如果策略是
# set to 'noeviction', Redis will start to reply with errors to commands
#设置为“noeviction”时，Redis将开始对命令进行错误的应答
# that would use more memory, like SET, LPUSH, and so on, and will continue
#这将使用更多内存，如SET、LPUSH等，并将继续
# to reply to read-only commands like GET.
#回复像GET这样的只读命令。
#
#
# This option is usually useful when using Redis as an LRU or LFU cache, or to
#当将Redis用作LRU或LFU缓存或
# set a hard memory limit for an instance (using the 'noeviction' policy).
#为实例设置硬内存限制（使用“noeviction”策略）。
#
#
# WARNING: If you have replicas attached to an instance with maxmemory on,
#警告：如果将副本附加到启用了maxmemory的实例，
# the size of the output buffers needed to feed the replicas are subtracted
#减去为复制副本提供数据所需的输出缓冲区的大小
# from the used memory count, so that network problems / resyncs will
#从网络中重新同步使用的问题
# not trigger a loop where keys are evicted, and in turn the output
#不触发一个循环，其中键被逐出，而反过来输出
# buffer of replicas is full with DELs of keys evicted triggering the deletion
#复制副本的缓冲区已满，退出的密钥将触发删除
# of more keys, and so forth until the database is completely emptied.
#直到数据库完全清空。
#
# In short... if you have replicas attached it is suggested that you set a lower
#简而言之。。。如果您附加了副本，建议您设置较低的
# limit for maxmemory so that there is some free RAM on the system for replica
#限制maxmemory，以便系统上有一些可用的RAM用于复制
# output buffers (but this is not needed if the policy is 'noeviction').
#输出缓冲区（但如果策略为“noeviction”，则不需要此缓冲区）。
# maxmemory <bytes>
#最大内存<字节>
# MAXMEMORY POLICY: how Redis will select what to remove when maxmemory
#MAXMEMORY策略：当MAXMEMORY时Redis如何选择要删除的内容
# is reached. You can select among five behaviors:
#已到达。您可以从五种行为中进行选择：
#
# volatile-lru -> Evict using approximated LRU among the keys with an expire set.
#volatile lru->在具有expire集的密钥中使用近似的lru进行逐出。
# allkeys-lru -> Evict any key using approximated LRU.
#allkeys lru->使用近似的lru逐出任何键。
# volatile-lfu -> Evict using approximated LFU among the keys with an expire set.
#volatile lfu->在具有expire集的密钥中使用近似的lfu进行逐出。
# allkeys-lfu -> Evict any key using approximated LFU.
#allkeys lfu->使用近似的lfu逐出任何键。
# volatile-random -> Remove a random key among the ones with an expire set.
#volatile random->从具有expire集的密钥中删除一个随机密钥。
# allkeys-random -> Remove a random key, any key.
#allkeys random->移除一个随机键，任意键。
# volatile-ttl -> Remove the key with the nearest expire time (minor TTL)
#volatile ttl->删除最接近过期时间的密钥（minor ttl）
# noeviction -> Don't evict anything, just return an error on write operations.
#noeviction->不要逐出任何内容，只要在写操作时返回一个错误。
# LRU means Least Recently Used
#LRU表示最近最少使用
# LFU means Least Frequently Used
#LFU表示使用频率最低
# Both LRU, LFU and volatile-ttl are implemented using approximated
#LRU、LFU和volatile ttl都是用近似方法实现的
# randomized algorithms.
#随机算法。
# Note: with any of the above policies, Redis will return an error on write
#注意：如果使用上述任何策略，Redis将在写入时返回错误
#       operations, when there are no suitable keys for eviction.
#操作，当没有合适的钥匙驱逐。
#
#At the date of writing these commands are: set setnx setex append
#在编写这些命令的日期是：set setnx setex append
#incr decr rpush lpush rpushx lpushx linsert lset rpoplpush sadd
#增加/减少脉冲低压脉冲rpushx lpushx linsert lset RPOPPLPUSH sadd
#sinter sinterstore sunion sunionstore sdiff sdiffstore zadd zincrby
#sinter sinterstore sunion sunionstore sdiffstore zadd zincrby
#zunionstore zinterstore hset hsetnx hmset hincrby incrby decrby
#zunionstore zinterstore hset hsetnx hmset hincrby incrby递减
#getset mset msetnx exec sort
#getset mset msetnx exec排序
#
#
# The default is:
#默认值为：
#
#
# maxmemory-policy noeviction
#maxmemory策略不可用
# LRU, LFU and minimal TTL algorithms are not precise algorithms but approximated
#LRU、LFU和最小TTL算法不是精确算法而是近似算法
# algorithms (in order to save memory), so you can tune it for speed or
#算法（为了节省内存），所以你可以调整它的速度或
# accuracy. For default Redis will check five keys and pick the one that was
#准确度。对于默认的Redis将检查五个键并选择一个
# used less recently, you can change the sample size using the following
#最近使用较少，可以使用以下命令更改样本大小
# configuration directive.
#配置指令。
#
#
# The default of 5 produces good enough results. 10 Approximates very closely
#默认值为5会产生足够好的结果。10非常接近
# true LRU but costs more CPU. 3 is faster but not very accurate.
#真正的外场可更换单元，但占用更多的CPU。3更快，但不是很准确。
# maxmemory-samples 5
#maxmemory示例5
# Starting from Redis 5, by default a replica will ignore its maxmemory setting
#从Redis 5开始，默认情况下副本将忽略其maxmemory设置
# (unless it is promoted to master after a failover or manually). It means
#（除非在故障转移后或手动升级为主节点）。意思是
# that the eviction of keys will be just handled by the master, sending the
#密钥的收回将由主机处理，发送
# DEL commands to the replica as keys evict in the master side.
#DEL命令在主服务器端作为密钥收回。
#
# This behavior ensures that masters and replicas stay consistent, and is usually
#这种行为可以确保主机和副本保持一致，并且通常
# what you want, however if your replica is writable, or you want the replica to have
#但是，如果您的复制副本是可写的，或者您希望复制副本具有
# a different memory setting, and you are sure all the writes performed to the
#不同的内存设置，并且您确定对
# replica are idempotent, then you may change this default (but be sure to understand
#复制副本是幂等的，那么您可以更改这个默认值（但是一定要理解
# what you are doing).
#你在做什么）。
#
# Note that since the replica by default does not evict, it may end using more
#请注意，由于复制副本在默认情况下不会逐出，它可能会使用更多
# memory than the one set via maxmemory (there are certain buffers that may
#内存大于通过maxmemory设置的内存（有某些缓冲区可能
# be larger on the replica, or data structures may sometimes take more memory and so
#复制副本越大，或者数据结构有时可能占用更多内存，因此
# forth). So make sure you monitor your replicas and make sure they have enough
#第四）。所以一定要监控你的复制品，确保它们有足够的
# memory to never hit a real out-of-memory condition before the master hits
#内存在主机命中之前永远不会遇到内存不足的情况
# the configured maxmemory setting.
#配置的maxmemory设置。
#
#
# replica-ignore-maxmemory yes
#复制副本忽略maxmemory是