一文聊聊Redis中的过期操作和过期策略
- 青灯夜游转载
- 2022-02-09 10:12:372549浏览
本篇文章带大家了解一下Redis中的过期操作和过期策略，介绍一下Redis中设置过期时间的四种方法、持久化中的过期键、过期键执行流程等，希望对大家有所帮助！
如果在 Redis 中没有过期这个概念，这就意味着我们所有写入的键只要不主动删除就会一直保存在 Redis 中，而 Redis 又是一个基于内存的数据库，内存空间是非常有限的。【相关推荐：Redis视频教程】
过期操作
过期设置
Redis 中设置过期时间主要通过以下四种方式：
-
expire key seconds：设置key在 n 秒后过期。 -
pexpire key milliseconds：设置key在 n 毫秒后过期。 -
expireat key timestamp：设置key在某个时间戳（精确到秒）之后过期。 -
pexpireat key millisecondsTimestamp：设置key在某个时间戳（精确到毫秒）之后过期。
可用命令 ttl key （以秒为单位）或 pttl key （以毫秒为单位）来查看 key 还有多久过期。
Redis 可以使用 time 命令查询当前时间的时间戳（精确到秒）。
字符串中几个直接操作过期时间的方法，如下列表：
-
set key value ex seconds：设置键值对的同时指定过期时间（精确到秒）。 -
set key value px milliseconds：设置键值对的同时指定过期时间（精确到毫秒）。 -
setex key seconds valule：设置键值对的同时指定过期时间（精确到秒）。
移除过期时间
使用命令： persist key 可以移除键值的过期时间。-1 表示永不过期。
Java 实现过期操作
使用 Jedis 来实现对 Redis 的操作，代码：
public class TTLTest {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 创建 Redis 连接
Jedis jedis = new Jedis("xxx.xxx.xxx.xxx", 6379);
// 设置 Redis 密码(如果没有密码，此行可省略)
jedis.auth("xxx");
// 存储键值对（默认情况下永不过期）
jedis.set("k", "v");
// 查询 TTL（过期时间）
Long ttl = jedis.ttl("k");
// 打印过期日志
// 过期时间：-1
System.out.println("过期时间：" + ttl);
// 设置 100s 后过期
jedis.expire("k", 100);
// 等待 1s 后执行
Thread.sleep(1000);
// 打印过期日志
// 执行 expire 后的 TTL=99
System.out.println("执行 expire 后的 TTL=" + jedis.ttl("k"));
}
}更多过期操作方法，如下列表：
-
pexpire(String key, long milliseconds)：设置 n 毫秒后过期。 -
expireAt(String key, long unixTime)：设置某个时间戳后过期（精确到秒）。 -
pexpireAt(String key, long millisecondsTimestamp)：设置某个时间戳后过期（精确到毫秒）。 -
persist(String key)：移除过期时间。
public class TTLTest {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 创建 Redis 连接
Jedis jedis = new Jedis("xxx.xxx.xxx.xxx", 6379);
// 设置 Redis 密码(如果没有密码，此行可省略)
jedis.auth("xxx");
// 存储键值对（默认情况下永不过期）
jedis.set("k", "v");
// 查询 TTL（过期时间）
Long ttl = jedis.ttl("k");
// 打印过期日志
System.out.println("过期时间：" + ttl);
// 设置 100s 后过期
jedis.expire("k", 100);
// 等待 1s 后执行
Thread.sleep(1000);
// 打印过期日志
System.out.println("执行 expire 后的 TTL=" + jedis.ttl("k"));
// 设置 n 毫秒后过期
jedis.pexpire("k", 100000);
// 设置某个时间戳后过期（精确到秒）
jedis.expireAt("k", 1573468990);
// 设置某个时间戳后过期（精确到毫秒）
jedis.pexpireAt("k", 1573468990000L);
// 移除过期时间
jedis.persist("k");
}
}持久化中的过期键
RDB 中的过期键
RDB 文件分为两个阶段，RDB 文件生成阶段和加载阶段。
1. RDB 文件生成
RDB 加载分为以下两种情况：
- 如果
Redis是主服务器运行模式的话，在载入RDB文件时，程序会对文件中保存的键进行检查，过期键不会被载入到数据库中。所以过期键不会对载入RDB文件的主服务器造成影响； - 如果
Redis是从服务器运行模式的话，在载入RDB文件时，不论键是否过期都会被载入到数据库中。但由于主从服务器在进行数据同步时，从服务器的数据会被清空。所以一般来说，过期键对载入RDB文件的从服务器也不会造成影响。
RDB 文件加载的源码可以在 rdb.c 文件的 rdbLoad() 函数中找到，源码所示：
/* Check if the key already expired. This function is used when loading
* an RDB file from disk, either at startup, or when an RDB was
* received from the master. In the latter case, the master is
* responsible for key expiry. If we would expire keys here, the
* snapshot taken by the master may not be reflected on the slave.
*
* 如果服务器为主节点的话，
* 那么在键已经过期的时候，不再将它们关联到数据库中去
*/
if (server.masterhost == NULL && expiretime != -1 && expiretime < now) {
decrRefCount(key);
decrRefCount(val);
// 跳过
continue;
}AOF 中的过期键
1. AOF 文件写入
当 Redis 以 AOF 模式持久化时，如果数据库某个过期键还没被删除，那么 AOF 文件会保留此过期键，当此过期键被删除后，Redis 会向 AOF 文件追加一条 DEL 命令来显式地删除该键值。
2. AOF 重写
执行 AOF 重写时，会对 Redis 中的键值对进行检查已过期的键不会被保存到重写后的 AOF 文件中，因此不会对 AOF 重写造成任何影响。
主从库的过期键
当 Redis 运行在主从模式下时，从库不会进行过期扫描，从库对过期的处理是被动的。也就是即使从库中的 key 过期了，如果有客户端访问从库时，依然可以得到 key 对应的值，像未过期的键值对一样返回。
从库的过期键处理依靠主服务器控制，主库在 key 到期时，会在 AOF 文件里增加一条 del 指令，同步到所有的从库，从库通过执行这条 del 指令来删除过期的 key。
过期策略
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。
过期键源码分析
过期键存储在 redisDb 结构中，源代码在 src/server.h 文件中（基于 Redis 5）：
/* 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;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）删除策略来保证正常执行的性能。
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。
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。
注意：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。
-
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。
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