Redis中过期操作和过期策略的示例分析
这篇文章主要介绍redis中过期操作和过期策略的示例分析,文中介绍的非常详细,具有一定的参考价值,感兴趣的小伙伴们一定要看完!
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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 Redi
s 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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