面试官:为什么 Redis 不立刻删除已经过期的数据?

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共 5685字,需浏览 12分钟

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2024-06-19 14:07

JavaGuide官方网站javaguide.cn


这是一道比较有意思的 Redis 面试题,考察求职者对于 Redis 内存管理的了解。

我简单完善了一下 JavaGuide( javaguide.cn )对于这部分内容的总结,分享一下, 共计 4 个问题:

  1. Redis 给缓存数据设置过期时间有什么用?
  2. Redis 是如何判断数据是否过期的呢?
  3. Redis 过期 key 删除策略了解么?
  4. 大量 key 集中过期怎么办?

Redis 给缓存数据设置过期时间有什么用?

一般情况下,我们设置保存的缓存数据的时候都会设置一个过期时间。为什么呢?

内存是有限且珍贵的,如果不对缓存数据设置过期时间,那内存占用就会一直增长,最终可能会导致 OOM 问题。通过设置合理的过期时间,Redis 会自动删除暂时不需要的数据,为新的缓存数据腾出空间。

Redis 自带了给缓存数据设置过期时间的功能,比如:

127.0.0.1:6379> expire key 60 # 数据在 60s 后过期
(integer) 1
127.0.0.1:6379> setex key 60 value # 数据在 60s 后过期 (setex:[set] + [ex]pire)
OK
127.0.0.1:6379> ttl key # 查看数据还有多久过期
(integer) 56

注意 ⚠️:Redis 中除了字符串类型有自己独有设置过期时间的命令 setex 外,其他方法都需要依靠 expire 命令来设置过期时间 。另外, persist 命令可以移除一个键的过期时间。

过期时间除了有助于缓解内存的消耗,还有什么其他用么?

很多时候,我们的业务场景就是需要某个数据只在某一时间段内存在,比如我们的短信验证码可能只在 1 分钟内有效,用户登录的 Token 可能只在 1 天内有效。

如果使用传统的数据库来处理的话,一般都是自己判断过期,这样更麻烦并且性能要差很多。

Redis 是如何判断数据是否过期的呢?

Redis 通过一个叫做过期字典(可以看作是 hash 表)来保存数据过期的时间。过期字典的键指向 Redis 数据库中的某个 key(键),过期字典的值是一个 long long 类型的整数,这个整数保存了 key 所指向的数据库键的过期时间(毫秒精度的 UNIX 时间戳)。

Redis 过期字典

过期字典是存储在 redisDb 这个结构里的:

typedef struct redisDb {
    ...

    dict *dict;     //数据库键空间,保存着数据库中所有键值对
    dict *expires   // 过期字典,保存着键的过期时间
    ...
} redisDb;

在查询一个 key 的时候,Redis 首先检查该 key 是否存在于过期字典中(时间复杂度为 O(1)),如果不在就直接返回,在的话需要判断一下这个 key 是否过期,过期直接删除 key 然后返回 null。

Redis 过期 key 删除策略了解么?

如果假设你设置了一批 key 只能存活 1 分钟,那么 1 分钟后,Redis 是怎么对这批 key 进行删除的呢?

常用的过期数据的删除策略就下面这几种:

  1. 惰性删除:只会在取出/查询 key 的时候才对数据进行过期检查。这种方式对 CPU 最友好,但是可能会造成太多过期 key 没有被删除。
  2. 定期删除:周期性地随机从设置了过期时间的 key 中抽查一批,然后逐个检查这些 key 是否过期,过期就删除 key。相比于惰性删除,定期删除对内存更友好,对 CPU 不太友好。
  3. 延迟队列:把设置过期时间的 key 放到一个延迟队列里,到期之后就删除 key。这种方式可以保证每个过期 key 都能被删除,但维护延迟队列太麻烦,队列本身也要占用资源。
  4. 定时删除:每个设置了过期时间的 key 都会在设置的时间到达时立即被删除。这种方法可以确保内存中不会有过期的键,但是它对 CPU 的压力最大,因为它需要为每个键都设置一个定时器。

Redis 采用的那种删除策略呢?

Redis 采用的是 定期删除+惰性/懒汉式删除 结合的策略,这也是大部分缓存框架的选择。定期删除对内存更加友好,惰性删除对 CPU 更加友好。两者各有千秋,结合起来使用既能兼顾 CPU 友好,又能兼顾内存友好。

下面是我们详细介绍一下 Redis 中的定期删除具体是如何做的。

Redis 的定期删除过程是随机的(周期性地随机从设置了过期时间的 key 中抽查一批),所以并不保证所有过期键都会被立即删除。这也就解释了为什么有的 key 过期了,并没有被删除。并且,Redis 底层会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。

另外,定期删除还会受到执行时间和过期 key 的比例的影响:

  • 执行时间已经超过了阈值,那么就中断这一次定期删除循环,以避免使用过多的 CPU 时间。
  • 如果这一批过期的 key 比例超过一个比例,就会重复执行此删除流程,以更积极地清理过期 key。相应地,如果过期的 key 比例低于这个比例,就会中断这一次定期删除循环,避免做过多的工作而获得很少的内存回收。

Redis 7.2 版本的执行时间阈值是 25ms,过期 key 比例设定值是 **10%**。

#define ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_FAST_DURATION 1000 /* Microseconds. */
#define ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_SLOW_TIME_PERC 25 /* Max % of CPU to use. */
#define ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_ACCEPTABLE_STALE 10 /* % of stale keys after which
                                                   we do extra efforts. */

每次随机抽查数量是多少?

expire.c中定义了每次随机抽查的数量,Redis 7.2 版本为 20 ,也就是说每次会随机选择 20 个设置了过期时间的 key 判断是否过期。

#define ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_KEYS_PER_LOOP 20 /* Keys for each DB loop. */

如何控制定期删除的执行频率?

在 Redis 中,定期删除的频率是由 hz 参数控制的。hz 默认为 10,代表每秒执行 10 次,也就是每秒钟进行 10 次尝试来查找并删除过期的 key。

hz 的取值范围为 1~500。增大 hz 参数的值会提升定期删除的频率。如果你想要更频繁地执行定期删除任务,可以适当增加 hz 的值,但这会加 CPU 的使用率。根据 Redis 官方建议,hz 的值不建议超过 100,对于大部分用户使用默认的 10 就足够了。

下面是 hz 参数的官方注释,我翻译了其中的重要信息(Redis 7.2 版本)。

redis.conf 对于 hz 的注释

类似的参数还有一个 dynamic-hz,这个参数开启之后 Redis 就会在 hz 的基础上动态计算一个值。Redis 提供并默认启用了使用自适应 hz 值的能力,

这两个参数都在 Redis 配置文件 redis.conf中:

# 默认为 10
hz 10
# 默认开启
dynamic-hz yes

多提一嘴,除了定期删除过期 key 这个定期任务之外,还有一些其他定期任务例如关闭超时的客户端连接、更新统计信息,这些定期任务的执行频率也是通过 hz 参数决定。

为什么定期删除不是把所有过期 key 都删除呢?

这样会对性能造成太大的影响。如果我们 key 数量非常庞大的话,挨个遍历检查是非常耗时的,会严重影响性能。Redis 设计这种策略的目的是为了平衡内存和性能。

为什么 key 过期之后不立马把它删掉呢?这样不是会浪费很多内存空间吗?

因为不太好办到,或者说这种删除方式的成本太高了。假如我们使用延迟队列作为删除策略,这样存在下面这些问题:

  1. 队列本身的开销可能很大:key 多的情况下,一个延迟队列可能无法容纳。
  2. 维护延迟队列太麻烦:修改 key 的过期时间就需要调整期在延迟队列中的位置,并且,还需要引入并发控制。

大量 key 集中过期怎么办?

如果存在大量 key 集中过期的问题,可能会使 Redis 的请求延迟变高。可以采用下面的可选方案来应对:

  1. 尽量避免 key 集中过期,在设置键的过期时间时尽量随机一点。
  2. 对过期的 key 开启 lazyfree 机制(修改 redis.conf 中的 lazyfree-lazy-expire参数即可),这样会在后台异步删除过期的 key,不会阻塞主线程的运行。

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