redis內(nèi)存滿了怎么辦？讓你玩懂8種內(nèi)存淘汰策略
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簡介
我們知道redis是一個(gè)非常常用的內(nèi)存型數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)從內(nèi)存中讀取是它非常高效的原因之一，那么但是如果有一天，「redis分配的內(nèi)存滿了怎么辦」？遇到這個(gè)面試題不要慌，這種問題我們分為兩角度回答就可以：
「redis會(huì)怎么做」？ 「我們可以怎么做」？
增加redis可用內(nèi)存
這種方法很暴力，也很好用，我們直接通過增加redis的可用內(nèi)存就可以了， 有兩種方式
「通過配置文件配置」 //設(shè)置redis最大占用內(nèi)存大小為1000M
maxmemory 1000mb通過在redis安裝目錄下面的redis.conf配置文件中添加以下配置設(shè)置內(nèi)存大小 「通過命令修改」 //設(shè)置redis最大占用內(nèi)存大小為1000M
127.0.0.1:6379> config set maxmemory 1000mbredis支持運(yùn)行時(shí)通過命令動(dòng)態(tài)修改內(nèi)存大小
這種方法是立竿見影的，reids 內(nèi)存總歸受限于機(jī)器的內(nèi)存，也不能無限制的增長，那么如果沒有辦法再增加 redis 的可用內(nèi)存怎么辦呢？
內(nèi)存淘汰策略
實(shí)際上Redis定義了「8種內(nèi)存淘汰策略」用來處理redis內(nèi)存滿的情況：
這些內(nèi)存淘汰策略都很好理解，我們著重講解一下lru，lfu，ttl是怎么去實(shí)現(xiàn)的
lru的最佳實(shí)踐？
lru是Least Recently Used的縮寫,也就是「最近很少使用」,也可以理解成最久沒有使用。最近剛剛使用過的，后面接著會(huì)用到的概率也就越大。由于內(nèi)存是非常金貴的，導(dǎo)致我們可以存儲(chǔ)在緩存當(dāng)中的數(shù)據(jù)是有限的。比如說我們固定只能存儲(chǔ)1w條，當(dāng)內(nèi)存滿了之后，緩存每插入一條新數(shù)據(jù)，都要拋棄一條最長沒有使用的舊數(shù)據(jù)。我們把上面的內(nèi)容整理一下，可以得到幾點(diǎn)要求：
「1.保證其的讀寫效率，比如讀寫的復(fù)雜度都是O(1)」 「2.當(dāng)一條數(shù)據(jù)被讀取，將它最近使用的時(shí)間更新」 「3.當(dāng)插入一條新數(shù)據(jù)的時(shí)候，刪除最久沒有使用過的數(shù)據(jù)」
所以我們要盡可能的保證查詢效率很高，插入效率很高，我們知道如果只考慮查詢效率，那么hash表可能就是最優(yōu)的選擇，如果只考慮插入效率，那么鏈表必定有它的一席之地。
但是這兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)單獨(dú)使用，都有它的弊端，那么說，有沒有一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，既能夠保證查詢效率，又能夠保證插入效率呢？于是 hash+鏈表這種結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了
hash表用來查詢?cè)阪湵碇械臄?shù)據(jù)位置，鏈表負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的插入 當(dāng)新數(shù)據(jù)插入到鏈表頭部時(shí)有兩種情況；
1.當(dāng)鏈表滿的時(shí)候，將鏈表尾部的數(shù)據(jù)丟棄。 這個(gè)比較簡單，直接將鏈表尾部指針抹去，并且清除對(duì)應(yīng)hash中的信息就好了 2.每當(dāng)緩存命中（即緩存數(shù)據(jù)被訪問），則將數(shù)據(jù)移到鏈表頭部； 這種情況我們發(fā)現(xiàn)，如果命中到鏈表中間節(jié)點(diǎn)，我們需要做的是 1).將該節(jié)點(diǎn)移到頭節(jié)點(diǎn) 2).「將該節(jié)點(diǎn)的上一個(gè)節(jié)點(diǎn)的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，設(shè)置為該節(jié)點(diǎn)的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)」，這里就會(huì)有一個(gè)問題，我們無法找到該節(jié)點(diǎn)的上一個(gè)節(jié)點(diǎn)，因?yàn)槭菃蜗蜴湵恚?，新的模型產(chǎn)生了。
這時(shí)雙向鏈表的作用也提現(xiàn)出來了。能直接定位到父節(jié)點(diǎn)。這效率就很高了。而且由于雙向鏈表有尾指針，所以剔除最后的尾節(jié)點(diǎn)也十分方便，快捷
所以最終的解決方案就是采用「哈希表+雙向鏈表」的結(jié)構(gòu)
lfu的最佳實(shí)踐？
LFU:Least Frequently Used，最不經(jīng)常使用策略,在一段時(shí)間內(nèi),數(shù)據(jù)被「使用頻次最少」的,優(yōu)先被淘汰。最少使用（LFU）是一種用于管理計(jì)算機(jī)內(nèi)存的緩存算法。主要是記錄和追蹤內(nèi)存塊的使用次數(shù),當(dāng)緩存已滿并且需要更多空間時(shí)，系統(tǒng)將以最低內(nèi)存塊使用頻率清除內(nèi)存.采用LFU算法的最簡單方法是為每個(gè)加載到緩存的塊分配一個(gè)計(jì)數(shù)器。每次引用該塊時(shí)，計(jì)數(shù)器將增加一。當(dāng)緩存達(dá)到容量并有一個(gè)新的內(nèi)存塊等待插入時(shí)，系統(tǒng)將搜索計(jì)數(shù)器最低的塊并將其從緩存中刪除。
這里我們提出一種達(dá)到 O(1) 時(shí)間復(fù)雜度的 LFU 實(shí)現(xiàn)方案，它支持的操作包括插入、訪問以及刪除
如圖：
由兩個(gè)雙向鏈表+哈希表組成，上方的雙向鏈表用來計(jì)數(shù)，下方的雙向鏈表用來記錄存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，該鏈表的頭節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)了數(shù)字，哈希表的value對(duì)象記錄下方雙向鏈表的數(shù)據(jù) 我們這里按照插入的流程走一遍:
將需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)插入 在hash表中「存在」，找到對(duì)應(yīng)的下方雙向鏈表，將該節(jié)點(diǎn)的上一個(gè)節(jié)點(diǎn)和該節(jié)點(diǎn)的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)相連（這里可能只有自己，直接移除就好），然后判斷自己所在上方雙向鏈表的計(jì)數(shù)是否比當(dāng)前計(jì)數(shù)大1 「如果是」，則將自己移到該上方雙向鏈表，并且「判斷該雙向鏈表下是否還有元素」，如果沒有，則要?jiǎng)h除該節(jié)點(diǎn) 「如果不是或者該上方雙向列表無下個(gè)節(jié)點(diǎn)」則新加節(jié)點(diǎn)，將計(jì)數(shù)設(shè)為當(dāng)前計(jì)數(shù)+1 在hash表「不存在」，將數(shù)據(jù)存入hash表，將數(shù)據(jù)與雙向鏈表的頭節(jié)點(diǎn)相連（這里有可能鏈表未初始化）
這樣當(dāng)查找，插入時(shí)效率都為O(1)
redis TTL 是怎么實(shí)現(xiàn)的？
TTL存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
redis針對(duì)TTL時(shí)間有專門的dict進(jìn)行存儲(chǔ)，就是redisDb當(dāng)中的dict *expires字段，dict顧名思義就是一個(gè)hashtable，key為對(duì)應(yīng)的rediskey，value為對(duì)應(yīng)的TTL時(shí)間。?dict的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中含有2個(gè)dictht對(duì)象，主要是為了解決hash沖突過程中重新hash數(shù)據(jù)使用。
TTL 設(shè)置過期時(shí)間
TTL設(shè)置key過期時(shí)間的方法主要是下面4個(gè)：
expire 按照相對(duì)時(shí)間且以秒為單位的過期策略 expireat 按照絕對(duì)時(shí)間且以秒為單位的過期策略 pexpire 按照相對(duì)時(shí)間且以毫秒為單位的過期策略 pexpireat 按照絕對(duì)時(shí)間且以毫秒為單位的過期策略
{"expire",expireCommand,3,"w",0,NULL,1,1,1,0,0},
{"expireat",expireatCommand,3,"w",0,NULL,1,1,1,0,0},
{"pexpire",pexpireCommand,3,"w",0,NULL,1,1,1,0,0},
{"pexpireat",pexpireatCommand,3,"w",0,NULL,1,1,1,0,0},
expire expireat pexpire pexpireat
從實(shí)際設(shè)置過期時(shí)間的實(shí)現(xiàn)函數(shù)來看，相對(duì)時(shí)間的策略會(huì)有一個(gè)當(dāng)前時(shí)間作為基準(zhǔn)時(shí)間，絕對(duì)時(shí)間的策略會(huì)「以0作為一個(gè)基準(zhǔn)時(shí)間」。
void expireCommand(redisClient *c) {
expireGenericCommand(c,mstime(),UNIT_SECONDS);
}
void expireatCommand(redisClient *c) {
expireGenericCommand(c,0,UNIT_SECONDS);
}
void pexpireCommand(redisClient *c) {
expireGenericCommand(c,mstime(),UNIT_MILLISECONDS);
}
void pexpireatCommand(redisClient *c) {
expireGenericCommand(c,0,UNIT_MILLISECONDS);
}
整個(gè)過期時(shí)間最后都會(huì)換算到絕對(duì)時(shí)間進(jìn)行存儲(chǔ)，通過公式基準(zhǔn)時(shí)間+過期時(shí)間來進(jìn)行計(jì)算。?對(duì)于相對(duì)時(shí)間而言基準(zhǔn)時(shí)間就是當(dāng)前時(shí)間，對(duì)于絕對(duì)時(shí)間而言相對(duì)時(shí)間就是0。?中途考慮設(shè)置的過期時(shí)間是否已經(jīng)過期，如果已經(jīng)過期那么在master就會(huì)刪除該數(shù)據(jù)并同步刪除動(dòng)作到slave。?正常的設(shè)置過期時(shí)間是通過setExpire方法保存到 dict *expires對(duì)象當(dāng)中。
/*
*
* 這個(gè)函數(shù)是 EXPIRE 、 PEXPIRE 、 EXPIREAT 和 PEXPIREAT 命令的底層實(shí)現(xiàn)函數(shù)。
*
* 命令的第二個(gè)參數(shù)可能是絕對(duì)值，也可能是相對(duì)值。
* 當(dāng)執(zhí)行 *AT 命令時(shí)， basetime 為 0 ，在其他情況下，它保存的就是當(dāng)前的絕對(duì)時(shí)間。
*
* unit 用于指定 argv[2] （傳入過期時(shí)間）的格式，
* 它可以是 UNIT_SECONDS 或 UNIT_MILLISECONDS ，
* basetime 參數(shù)則總是毫秒格式的。
*/
void expireGenericCommand(redisClient *c, long long basetime, int unit) {
robj *key = c->argv[1], *param = c->argv[2];
long long when; /* unix time in milliseconds when the key will expire. */
// 取出 when 參數(shù)
if (getLongLongFromObjectOrReply(c, param, &when, NULL) != REDIS_OK)
return;
// 如果傳入的過期時(shí)間是以秒為單位的，那么將它轉(zhuǎn)換為毫秒
if (unit == UNIT_SECONDS) when *= 1000;
when += basetime;
/* No key, return zero. */
// 取出鍵
if (lookupKeyRead(c->db,key) == NULL) {
addReply(c,shared.czero);
return;
}
/*
* 在載入數(shù)據(jù)時(shí)，或者服務(wù)器為附屬節(jié)點(diǎn)時(shí)，
* 即使 EXPIRE 的 TTL 為負(fù)數(shù)，或者 EXPIREAT 提供的時(shí)間戳已經(jīng)過期，
* 服務(wù)器也不會(huì)主動(dòng)刪除這個(gè)鍵，而是等待主節(jié)點(diǎn)發(fā)來顯式的 DEL 命令。
*
* 程序會(huì)繼續(xù)將（一個(gè)可能已經(jīng)過期的 TTL）設(shè)置為鍵的過期時(shí)間，
* 并且等待主節(jié)點(diǎn)發(fā)來 DEL 命令。
*/
if (when <= mstime() && !server.loading && !server.masterhost) {
// when 提供的時(shí)間已經(jīng)過期，服務(wù)器為主節(jié)點(diǎn)，并且沒在載入數(shù)據(jù)
robj *aux;
redisAssertWithInfo(c,key,dbDelete(c->db,key));
server.dirty++;
/* Replicate/AOF this as an explicit DEL. */
// 傳播 DEL 命令
aux = createStringObject("DEL",3);
rewriteClientCommandVector(c,2,aux,key);
decrRefCount(aux);
signalModifiedKey(c->db,key);
notifyKeyspaceEvent(REDIS_NOTIFY_GENERIC,"del",key,c->db->id);
addReply(c, shared.cone);
return;
} else {
// 設(shè)置鍵的過期時(shí)間
// 如果服務(wù)器為附屬節(jié)點(diǎn)，或者服務(wù)器正在載入，
// 那么這個(gè) when 有可能已經(jīng)過期的
setExpire(c->db,key,when);
addReply(c,shared.cone);
signalModifiedKey(c->db,key);
notifyKeyspaceEvent(REDIS_NOTIFY_GENERIC,"expire",key,c->db->id);
server.dirty++;
return;
}
}
setExpire函數(shù)主要是對(duì)db->expires中的key對(duì)應(yīng)的dictEntry設(shè)置過期時(shí)間。
/*
* 將鍵 key 的過期時(shí)間設(shè)為 when
*/
void setExpire(redisDb *db, robj *key, long long when) {
dictEntry *kde, *de;
/* Reuse the sds from the main dict in the expire dict */
// 取出鍵
kde = dictFind(db->dict,key->ptr);
redisAssertWithInfo(NULL,key,kde != NULL);
// 根據(jù)鍵取出鍵的過期時(shí)間
de = dictReplaceRaw(db->expires,dictGetKey(kde));
// 設(shè)置鍵的過期時(shí)間
// 這里是直接使用整數(shù)值來保存過期時(shí)間，不是用 INT 編碼的 String 對(duì)象
dictSetSignedIntegerVal(de,when);
}
redis什么時(shí)候執(zhí)行淘汰策略？
在redis種有三種刪除的操作此策略
定時(shí)刪除：對(duì)于設(shè)有過期時(shí)間的key，時(shí)間到了，定時(shí)器任務(wù)立即執(zhí)行刪除 因?yàn)橐S護(hù)一個(gè)定時(shí)器，所以就會(huì)占用cpu資源，尤其是有過期時(shí)間的redis鍵越來越多損耗的性能就會(huì)線性上升 惰性刪除：每次只有再訪問key的時(shí)候，才會(huì)檢查key的過期時(shí)間，若是已經(jīng)過期了就執(zhí)行刪除。 這種情況只有在訪問的時(shí)候才會(huì)刪除，所以有可能有些過期的redis鍵一直不會(huì)被訪問，就會(huì)一直占用redis內(nèi)存 定期刪除：每隔一段時(shí)間，就會(huì)檢查刪除掉過期的key。 這種方案相當(dāng)于上述兩種方案的折中，通過最合理控制刪除的時(shí)間間隔來刪除key，減少對(duì)cpu的資源的占用消耗，使刪除操作合理化。
巨人的肩膀
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