Redis過期鍵的刪除策略

Redis作為高性能的內存數據庫，其過期鍵的刪除策略直接影響到內存使用效率和系統性能。Redis採用了惰性刪除和定期刪除相結合的混合策略，下面詳細分析各種刪除策略的原理、優缺點及Redis的實現方式：

一、三種基本刪除策略

1. 定時刪除（Timed Expiration）

基本原理

• 為每個設置了過期時間的鍵創建一個定時器，當鍵的過期時間到達時，立即執行刪除操作
• 定時器精確控制過期時間，保證鍵在過期後立即被刪除

優點

• 內存使用最優：過期鍵能立即被刪除，不會佔用額外內存
• 數據一致性高：確保不會返回已過期的數據

缺點

• CPU時間開銷大：如果有大量過期鍵，定時器的創建和維護會消耗大量CPU資源
• 可能影響性能：在過期鍵密集的情況下，刪除操作可能會佔用大量CPU時間，影響服務器響應時間
• 實現複雜度高：需要管理大量定時器，增加了系統複雜性

2. 惰性刪除（Lazy Expiration）

基本原理

• 不會主動刪除過期鍵，而是在訪問鍵時才檢查是否過期
• 如果發現鍵已過期，則刪除該鍵並返回nil；否則正常返回鍵值

優點

• CPU時間效率高：不需要額外的刪除線程，只在必要時執行刪除操作
• 實現簡單：邏輯相對簡單，不需要複雜的定時機制

缺點

• 內存佔用可能過高：過期鍵如果長期未被訪問，會一直佔用內存，形成"內存泄漏"
• 可能導致內存使用效率低：在極端情況下，大量過期鍵未被訪問，會浪費寶貴的內存資源

3. 定期刪除（Periodic Expiration）

基本原理

• 每隔一段時間（如100毫秒）執行一次過期鍵的掃描和刪除操作
• 通過採樣的方式，只檢查一部分過期鍵，而不是全部

優點

• 平衡內存和CPU：在內存使用和CPU消耗之間取得平衡
• 可控的性能影響：通過調整掃描頻率和時間限制，控制對系統性能的影響

缺點

• 實現複雜度較高：需要合理設置掃描參數
• 可能存在過期鍵未及時刪除的情況：定期掃描是抽樣進行的，某些過期鍵可能不會立即被發現和刪除

二、Redis的混合刪除策略

Redis結合了惰性刪除和定期刪除兩種策略，以達到性能和內存使用的最佳平衡：

1. 惰性刪除的實現

Redis在執行以下命令時會進行惰性刪除檢查：

• GET、MGET等讀取命令
• HGET、LPOP等類型特定的讀取命令
• 其他可能訪問鍵的命令

// 偽代碼表示惰性刪除的核心邏輯
function get(key) {
    if (key存在) {
        if (key已過期) {
            delete key;  // 惰性刪除
            return nil;
        }
        return key的值;
    }
    return nil;
}

2. 定期刪除的實現

Redis的定期刪除由serverCron函數觸發，該函數是Redis的主要定時任務函數，默認每秒運行10次（可通過hz參數配置）。定期刪除的具體實現包括：

• 隨機抽樣：從設置了過期時間的鍵集合中隨機抽取部分鍵進行檢查
• 逐批刪除：每次執行定期刪除時有時間限制，避免長時間阻塞
• 自適應調整：根據過期鍵的數量和系統負載動態調整掃描強度

// 偽代碼表示定期刪除的核心邏輯
function activeExpireCycle() {
    // 限制最大執行時間
    timeLimit = 執行時間限制;
    // 從過期鍵集合中隨機抽取樣本
    sampleCount = 樣本數量;
    // 遍歷樣本並刪除過期鍵
    for (每個樣本鍵) {
        if (鍵已過期) {
            delete key;
            deletedCount++;
        }
        // 如果刪除比例超過25%，繼續採樣刪除
        if (deletedCount > sampleCount / 4 && timeRemaining > 0) {
            continue;
        }
    }
}

三、Redis過期策略的具體參數配置

1. hz參數

• 作用：控制serverCron函數的執行頻率
• 默認值：10（每秒執行10次）

• 調整建議：

  • 增大hz值（如100）可以提高過期鍵的及時刪除率，但會增加CPU使用率
  • 減小hz值可以降低CPU使用率，但可能導致過期鍵堆積

2. 過期時間精度

• Redis的過期時間基於服務器時間，不是客户端時間
• Redis 2.6版本之前，過期時間精度為秒級；Redis 2.6及以後，精度提高到毫秒級
• 注意：系統時間的調整可能會導致過期鍵行為異常

3. 過期鍵在數據結構中的存儲

Redis將設置了過期時間的鍵單獨存儲在一個過期字典（expires dict）中：

• 鍵：指向實際鍵的指針
• 值：鍵的過期時間戳

這種設計使得Redis能夠高效地實現過期鍵的查找和管理。

四、持久化與過期鍵

1. RDB持久化與過期鍵

• 生成RDB文件時：Redis會檢查鍵是否過期，不會將過期鍵寫入新的RDB文件

• 載入RDB文件時：

  • 主服務器模式：跳過所有過期鍵
  • 從服務器模式：加載所有鍵，但在數據同步完成前，對於過期鍵的處理服從主服務器的命令

2. AOF持久化與過期鍵

• 鍵過期時：Redis不會立即在AOF文件中刪除該鍵的記錄
• 惰性刪除觸發時：Redis會向AOF文件追加DEL命令，記錄該鍵的刪除操作
• AOF重寫時：會檢查鍵是否過期，不會將過期鍵寫入重寫後的AOF文件

3. 複製過程中的過期鍵處理

在主從複製架構中：

• 從服務器不會主動刪除過期鍵，而是等待主服務器發送DEL命令
• 主服務器刪除過期鍵後，會發送DEL命令給所有從服務器
• 這種設計保證了主從服務器數據的一致性

五、過期鍵刪除策略的監控與調優

1. 相關統計指標

通過INFO命令可以查看過期鍵的相關統計：

• expired_keys：服務器啓動以來刪除的過期鍵數量
• expired_stale_perc：過期但未刪除的鍵的比例（Redis 4.0+）
• evicted_keys：因內存不足而驅逐的鍵數量

2. 性能優化建議

• 合理設置過期時間：避免大量鍵同時過期，造成刪除風暴
• 監控內存使用：定期檢查內存使用情況，防止內存泄漏
• 調整hz參數：根據實際負載調整定時任務執行頻率
• 避免大量長時間存在的鍵：對於不再需要的數據，主動刪除而不是依賴過期機制
• 使用UNLINK命令：對於大鍵的刪除，使用UNLINK命令（Redis 4.0+）進行異步刪除

3. 常見問題與解決方案

六、過期策略與內存淘汰策略的關係

過期策略和內存淘汰策略是兩個不同但相關的概念：

• 過期策略：處理已明確設置過期時間的鍵
• 內存淘汰策略：當內存不足時，決定哪些鍵應該被驅逐以釋放內存

當內存不足時，Redis會先驅逐已過期的鍵（如果有的話），然後再考慮驅逐未過期的鍵。

總結

Redis採用惰性刪除和定期刪除相結合的混合策略，在內存使用效率和CPU資源消耗之間取得了很好的平衡。這種設計使得Redis能夠高效地管理過期數據，同時保持高性能。在實際應用中，我們需要根據業務需求合理設置過期時間，並通過監控和調優確保系統穩定運行。