栏目说明：“Redis为什么快”记录我对Redis原理的学习过程，以及一些心得体会。也许没有那么”深入“，但一定通俗易懂。个人理解仅供参考。

作者：Kingston 8GB


上期指路：【Redis为什么快】01 内存存储（上）


文章目录


  • 3 Redis数据的过期时间
  • 3.1 常用命令
  • 3.2 过期时间的内存存储
  • 3.3 过期键的删除策略
  • 3.4 过期时间的作用



上期我们提到，Redis数据库结构体定义如下： 

typedef struct redisDb {
    int id; //id是数据库序号，为0-15（默认Redis有16个数据库）
    long avg_ttl; //存储的数据库对象的平均ttl（time to live），用于统计
    dict *dict; //存储数据库所有的key-value
    dict *expires; //存储key的过期时间
    dict *blocking_keys;//blpop 存储阻塞key和客户端对象
    dict *ready_keys;//阻塞后push 响应阻塞客户端 存储阻塞后push的key和客户端对象
    dict *watched_keys;//存储watch监控的的key和客户端对象
} redisDb;

其中，dict字典主要存储所有的键值对，而expires字典存放的是所有键值对的过期时间。

今天我们继续聊聊内存存储方式为Redis性能带来的正面影响，从“过期时间”说起。

3 Redis数据的过期时间

Redis为什么要为数据设置过期时间？这是一个迫不得已的做法，更是一种为提升性能而精心设计的做法，后面再说。

3.1 常用命令

Redis对于过期时间的设置，命令如下：

// 存入("key:name", "misterpassion")键值对，并设置过期时间为10秒
127.0.0.1:6379> SET key:name misterpassion EX 10

在SET命令中，EX参数用于指定过期时间，换言之，10秒后当我们GET这个键值对：

// 10秒后访问key:name 
127.0.0.1:6379> GET key:name
(nil)

将查找失败，因为对象过期被回收了。

除了EX参数，还可以用PX参数以毫秒为单位设置过期时间：

// 存入("key:name", "misterpassion")键值对，并设置过期时间为10,000毫秒
127.0.0.1:6379> SET key:name misterpassion PX 10000

上述命令和第一条命令等效。

我们可以用TTL（Time To Live）命令查询某个键的剩余寿命：

// 查看key:name的过期时间
127.0.0.1:6379> TTL key:name
(integer) 2

返回值提示我们这个键值对还有2秒过期。

如果没有在SET命令时就设置过期时间，而是想在后期补充设置，可以用EXPIRE和PEXPIRE命令，立即生效：

// 用EXPIRE设置的过期时间单位为秒
127.0.0.1:6379> EXPIRE key:name 15
OK
// 再用PEXPIRE设置一次，单位为毫秒
127.0.0.1:6379> PEXPIRE key:name 15000
OK

这些命令基本就够用了。在新版本的Redis里还引入了一些新的命令，比如能查询过期时间戳。这种命令用处就没有那么大了，因为正常的人类看不懂时间戳。

3.2 过期时间的内存存储

在Redis数据库中，键值对以哈希表的形式存储在内存中，那么某个key的过期时间存在哪里呢？RedisDb维护了另一个哈希表expires，用于存储key的过期时间，如图所示。

redis和内存区别_缓存

expires字典中，key就是key，value存的是这个key的过期时间戳。当我们调用TTL命令，会将当前时间戳和过期时间戳进行计算，返回剩余过期时间。

TTL和GET类命令的时间复杂度相同，都是O(1)，因为都是在做哈希表的查询。

注意，由于内存非常宝贵，Redis也不舍得为了存过期时间，而把所有的key再冗余存储一份。因此dict和expire字典里存的key，都是指向真实key内存地址的指针，上面图里画的并不准确。

可见为了优化性能，Redis的设计师真是用心良苦！

redis和内存区别_redis和内存区别_02

头发还不少。

3.3 过期键的删除策略

还有一个很重要的问题，Redis是如何对待过期的数据呢？是立即逐出内存，还是等待一个什么时机呢？

要想实现过期键的立即删除，似乎需要设置一个定时器，或者一个异步任务，或者维护一个消息队列，保证一过期就触发某个事件——这种做法叫“定时删除”。就算不考虑维护成本，这种做法还有两个致命的弊端：

  1. 如果Redis挂掉了，由于定时器没有持久化机制，重启之后定时器可能会消失，导致一些键永不过期，造成内存的泄露，即使重新设置定时器，也需要一些开销。
  2. 如果在某一短暂的时间间隔内很多键集中过期，删除这些键可能让CPU的压力陡增。

Redis没有采用定时删除的策略。

还有一种做法叫“定期删除”，说得直白一点，就是轮询检查，过一定时间我就扫描这些键，发现有过期的我就逐出内存。

这种方法比较柔和，也可以通过随机采样一些键进行过期时间检查，替代全库的扫描，所以效率还是比较高的。

Redis采纳了定期删除这个方案。具体来说，Redis存在一个“周期任务”机制，每次周期任务，Redis都会固定做一些事，这其中就包含了扫描并删除过期键。

这个周期任务的执行频率，默认是10Hz，也就是1秒执行10次周期任务，可以通过INFO命令查看：

127.0.0.1:6379> INFO
redis_version:7.0.0
...
hz:10
...

那每次扫描都是全库扫描吗？不是。Redis只会随机抽取20个key，删除其中过期的。但如果有超过25%（5个）的key过期了，那就会继续抽20个检查，以此循环。

除了“定期删除”，Redis额外引入了“惰性删除”策略。“惰性”的思想很常见，多为节约资源而设计，例如JVM的懒加载机制。

这里Redis的核心思想是，既然我没访问到这个键，那它过没过期、在不在内存，对于使用者而言又有何关系呢？只有当使用者真的访问到了过期数据，这时候再删除，其实都来得及。

这个实现也非常简单，在每次访问某个键的时候，会去查过期字典（类似于TTL命令），过期了，删掉它，返回空值。

但是还剩一个小问题，有些键从来没被访问过，虽然过期了，但会赖在内存不走。这时候定期删除就派上用场了，作为兜底。多执行几次周期任务，这种老赖差不多就出去了。

所以Redis对于过期键的处理，遵循“定期删除+惰性删除”的策略，再一次感叹设计者的巧思！

redis和内存区别_redis和内存区别_03


3.4 过期时间的作用

最后问题来了，为什么说过期时间的引入，有助于提升Redis的性能？

总结了一下，大概可以从这几方面考虑：

  1. 防止OOM：对于长时间不访问的数据，如果我们长时间不清理，就会越堆越多，造成内存的浪费，甚至堆满内存空间，产生OOM（Out Of Memory）。

在32位操作系统中，内存空间只有4GB，并没有太多空间留给Redis作存储，这种情况尤其需要考虑。

当然现在的机子都是64位的了，地址空间可以视为无限大，但我们依然可以通过设置Redis配置文件redis.conf中“maxmemory”参数的值（默认单位为Byte），来人为限制Redis最大占用的内存。

// 限制Redis最大占用的内存为1MBmaxmemory 1024

  1. 便于自动清理：Redis通过设置过期时间，可以实现对不重要的数据的自动清理（定期删除+惰性删除），避免应用程序手动删除过期数据，减轻应用程序的负担。
  2. 保留最新数据：Redis想确保自身只保留最新和有效的数据，而不是过期的数据。这里需要说明，过期的数据不等于非热点数据，而是可能需要优先被清理的数据。

所以，这差不多可以解释Redis的过期时间既是迫不得已、又是精心设计的原因，它的存在对Redis的性能提升而言举足轻重！

下期我们继续讲Redis过期时间的那些巧思和妙用！

下期：【Redis为什么快】03 内存存储（下）