聊聊 Redis 的过期键删除策略 javaredis

文章首发于公众号：蘑菇睡不着，欢迎来看看

前言 Redis 中都是键值对的存储形式，键都是字符串类型的，而值有很多种类型，如 string、list、hash、set、sorted set等类型。当设置键值对时我们还应该为其设置过期时间，通过 expire 以及 pexpire 命令；还可以通过 setnx 命令设置。那么，当设置过期时间之后，到底是怎么将过期的键值对删除的那？想知道答案的话，我们就一起看看 Redis 的过期键删除策略。
在说删除策略之前有个点带大家先了解下，那就是如果确定一个键是否过期，这里我总结了下：
1) 检查这个键是否在过期字典中，如果存在，那么取出这个键的过期时间。（过期字典存储的是每个键的过期时间，字典中 key 是键， value 是 long 类型的过期时间）
2) 拿到过期时间之后，和当前 UNIX 时间戳比较，如果大于，则键过期。
以上就是判断一个键是否过期的方法。接下来说说当键过期了怎么去删除。
目前来说有三种删除策略：

定时删除：在设置键的过期时间时，创建一个定时器，当到达键过期时间时通过定时器去删除键。
惰性删除：惰性删除并不是当到达过期时间时去删除，而是每次获取键时，会判断是否过期，如果过期则删除，并返回空；没过期，就返回键值。
定期删除：每隔一段时间，就对数据库中的键进行检查，如果过期则删除。至于要删除多少什么时候删除，则是通过具体程序决定。

下面来详细介绍每一种删除策略。
定时删除定时删除策略
优点是：对内存友好。因为通过定时器，当一个键到达过期时间时就会立马被删除，直接就释放了内存。
缺点是：对 CPU 不友好。因为如果过期键比较多，那么删除这些过期键会占用相当一部分CPU时间，如果CPU时间非常紧张的话，还将CPU时间用在删除和当前任务无关的过期键上，会对服务器的响应时间以及吞吐量造成影响。
因此，通过定时删除策略来时间过期键的删除不太现实。
惰性删除惰性删除策略优点：对 CPU 时间友好。程序只会在取出键时才会判断是否删除，并且只作用到当前键上，其他过期键不会花费 CPU 时间去处理。
惰性删除策略缺点：对内存不友好。因为只有键被使用时才会去检查是否删除，如果有大量的键一直不被使用，那么这些键就算过期了也不会被删除，会一直占用着内存。这种可以理解为是一种内存泄漏——大量无用的数据一直占用着内存，并且不会被删除。
定期删除相比较定时删除对CPU的不友好，惰性删除的对内存不友好。定期删除采用了一种折中的方式：

定期删除策略每隔一段时间执行一次删除过期键操作，并通过限制删除操作执行的时长和频率来减少删除操作对CPU时间的影响。
并且，通过定期删除过期键，有效的减少了过期键带来的内存浪费。

但删除的时长和频率比较难定义，因为：

如果频率太高或者时长太长，那么会占用大量的CPU时长。
如果过短又会出现内存浪费的情况。

因此。如果采用定期删除策略的话需要通过具体的业务场景来定义时长和频率。
Redis实际使用的是惰性删除+定期删除的策略。通过这两种方式可以很好的利用CPU时间以及避免内存浪费的情况。接下来讲讲惰性删除以及定期删除的实现。
惰性删除策略的实现惰性删除策略由 expireIfNeeded 函数实现，所有读写数据库的 Redis 命令在执行之前都会调用 exipreIfNeeded 函数对输入键进行检查。

如果键过期，会将键删除并返回空。
如果键没有过期，则不做操作。

定期删除策略的实现定期删除策略由 activeExpireCucle 函数实现，被调用时，它在规定的时间内，分多次遍历服务器中的各个数据库，从数据库的 expires 字典中随机检查一部分键的过期时间，并删除其中的过期键。

函数每次运行时，都是从一定数量的数据库键中随机取一定数量的键进行检查，并删除其中的过期键。
有一个全局变量 current_db 会记录当前 activeExpireCycle 函数检查的进度，并且下一次函数执行时，接着上一次的进度进行处理。如，当前 activeExpireCycle 函数执行到了 10，讲 current_db = 10；然后下一次函数执行时，从 current_db 取到 10 继续执行。
当所有的数据库键都被检查完时， current_db = 0。

AOF、RDB 和复制功能对过期键的处理生成 RDB 文件在执行 SAVE 命令或 BGSAVE 命令创建一个新的 RDB 文件时，程序会对数据库中的键进行检查，已过期的键不会被保存到新的 RDB 文件中。
如：redis中包含 r1、r2、r3 三个键，并且 r1 已经过期，那么程序只会讲 r2 和 r3 保存到 RDB 文件中。
因此，过期键不会对新的 RDB 文件造成影响。
载入 RDB 文件在启动 redis 服务器时，如果服务器开启了 RDB 功能，那么服务器将对 RDB 文件进行载入；

如果服务器以主服务器模式运行，那么在载入 RDB 文件时，过期的键会被过滤掉，不会被载入到redis数据库中。
如果以从服务器模式运行，那么无论键是否过期都会被载入到数据库中。但，因为主从服务器在进行数据同步时，从服务器就会被清空，所以，一般来说，过期键对从服务器也不会造成影响。

AOF 文件写入当服务器开启 AOF 的运行模式时，如果某个键过期了，但没有被惰性或定期删除，那么 AOF 不会理会。如果被惰性或定期删除了， AOF 会在文件末尾追加一条 DEL 命令，来显示地记录该键已被删除。
AOF 重写当 AOF 重写时，过期的键不会被载入到 redis 数据库中。
复制当服务器在复制模式下时，从服务器的过期键删除动作都是由主服务器来进行的。