之前看到過一道面試題：Redis的過期策略都有哪些？內存淘汰機制都有哪些？手寫一下LRU代碼實現？筆者結合在工作上遇到的問題學習分析，希望看完這篇文章能對大家有所幫助。
從一次不可描述的故障說起
問題描述：一個依賴於定時器任務的生成的接口列表數據，時而有，時而沒有。
懷疑是Redis過期刪除策略
排查過程長，因爲手動執行定時器，set數據沒有報錯，但是set數據之後不生效。
set沒報錯，但是set完再查的情況下沒數據，開始懷疑Redis的過期刪除策略（準確來說應該是Redis的內存回收機制中的數據淘汰策略觸發內存上限淘汰數據。），導致新加入Redis的數據都被丟棄了。最終發現故障的原因是因爲配置錯了，導致數據寫錯地方，並不是Redis的內存回收機制引起。
通過這次故障後思考總結，如果下一次遇到類似的問題，在懷疑Redis的內存回收之後，如何有效地證明它的正確性？如何快速證明猜測的正確與否？以及什麼情況下懷疑內存回收纔是合理的呢？下一次如果再次遇到類似問題，就能夠更快更準地定位問題的原因。另外，Redis的內存回收機制原理也需要掌握，明白是什麼，爲什麼。
花了點時間查閱資料研究Redis的內存回收機制，並閱讀了內存回收的實現代碼，通過代碼結合理論，給大家分享一下Redis的內存回收機制。
爲什麼需要內存回收？
1、在Redis中，set指令可以指定key的過期時間，當過期時間到達以後，key就失效了；
2、Redis是基於內存操作的，所有的數據都是保存在內存中，一臺機器的內存是有限且很寶貴的。
基於以上兩點，爲了保證Redis能繼續提供可靠的服務，Redis需要一種機制清理掉不常用的、無效的、多餘的數據，失效後的數據需要及時清理，這就需要內存回收了。
Redis的內存回收機制
Redis的內存回收主要分爲過期刪除策略和內存淘汰策略兩部分。
過期刪除策略
刪除達到過期時間的key。
1、定時刪除
對於每一個設置了過期時間的key都會創建一個定時器，一旦到達過期時間就立即刪除。該策略可以立即清除過期的數據，對內存較友好，但是缺點是佔用了大量的CPU資源去處理過期的數據，會影響Redis的吞吐量和響應時間。
2、惰性刪除
當訪問一個key時，才判斷該key是否過期，過期則刪除。該策略能最大限度地節省CPU資源，但是對內存卻十分不友好。有一種極端的情況是可能出現大量的過期key沒有被再次訪問，因此不會被清除，導致佔用了大量的內存。
在計算機科學中，懶惰刪除（英文：lazy deletion）指的是從一個散列表（也稱哈希表）中刪除元素的一種方法。在這個方法中，刪除僅僅是指標記一個元素被刪除，而不是整個清除它。被刪除的位點在插入時被當作空元素，在搜索之時被當作已佔據。
3、定期刪除
每隔一段時間，掃描Redis中過期key字典，並清除部分過期的key。該策略是前兩者的一個折中方案，還可以通過調整定時掃描的時間間隔和每次掃描的限定耗時，在不同情況下使得CPU和內存資源達到最優的平衡效果。
在Redis中，同時使用了定期刪除和惰性刪除。
過期刪除策略原理
爲了大家聽起來不會覺得疑惑，在正式介紹過期刪除策略原理之前，先給大家介紹一點可能會用到的相關Redis基礎知識。
redisDb結構體定義
我們知道，Redis是一個鍵值對數據庫，對於每一個redis數據庫，redis使用一個redisDb的結構體來保存，它的結構如下：
typedef struct redisDb {
dict *dict; /* 數據庫的鍵空間，保存數據庫中的所有鍵值對 */
dict *expires; /* 保存所有過期的鍵 */
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; /* 數據庫ID字段，代表不同的數據庫 */
long long avg_ttl; /* Average TTL, just for stats */
} redisDb;從結構定義中我們可以發現，對於每一個Redis數據庫，都會使用一個字典的數據結構來保存每一個鍵值對，dict的結構圖如下：
以上就是過期策略實現時用到比較核心的數據結構。程序=數據結構+算法，介紹完數據結構以後，接下來繼續看看處理的算法是怎樣的。
expires屬性
redisDb定義的第二個屬性是expires，它的類型也是字典，Redis會把所有過期的鍵值對加入到expires，之後再通過定期刪除來清理expires裏面的值。加入expires的場景有：
1、set指定過期時間expire
如果設置key的時候指定了過期時間，Redis會將這個key直接加入到expires字典中，並將超時時間設置到該字典元素。
2、調用expire命令
顯式指定某個key的過期時間
3、恢復或修改數據
從Redis持久化文件中恢復文件或者修改key，如果數據中的key已經設置了過期時間，就將這個key加入到expires字典中
以上這些操作都會將過期的key保存到expires。redis會定期從expires字典中清理過期的key。
Redis清理過期key的時機
1、Redis在啓動的時候，會註冊兩種事件，一種是時間事件，另一種是文件事件。（可參考啓動Redis的時候，Redis做了什麼）時間事件主要是Redis處理後臺操作的一類事件，比如客戶端超時、刪除過期key；文件事件是處理請求。
在時間事件中，redis註冊的回調函數是serverCron，在定時任務回調函數中，通過調用databasesCron清理部分過期key。（這是定期刪除的實現。）
int serverCron(struct aeEventLoop *eventLoop, long long id, void *clientData)
{
…
/* Handle background operations on Redis databases. */
databasesCron();
...
}2、每次訪問key的時候，都會調用expireIfNeeded函數判斷key是否過期，如果是，清理key。（這是惰性刪除的實現。）
robj *lookupKeyRead(redisDb *db, robj *key) {
robj *val;
expireIfNeeded(db,key);
val = lookupKey(db,key);
...
return val;
}3、每次事件循環執行時，主動清理部分過期key。（這也是惰性刪除的實現。）
void aeMain(aeEventLoop *eventLoop) {
eventLoop->stop = 0;
while (!eventLoop->stop) {
if (eventLoop->beforesleep != NULL)
eventLoop->beforesleep(eventLoop);
aeProcessEvents(eventLoop, AE_ALL_EVENTS);
}
}
void beforeSleep(struct aeEventLoop *eventLoop) {
...
/* Run a fast expire cycle (the called function will return
- ASAP if a fast cycle is not needed). */
if (server.active_expire_enabled && server.masterhost == NULL)
activeExpireCycle(ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_FAST);
...
}過期策略的實現
我們知道，Redis是以單線程運行的，在清理key是不能佔用過多的時間和CPU，需要在儘量不影響正常的服務情況下，進行過期key的清理。過期清理的算法如下：
1、server.hz配置了serverCron任務的執行週期，默認是10，即CPU空閒時每秒執行十次。
2、每次清理過期key的時間不能超過CPU時間的25%：timelimit = 1000000*ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_SLOW_TIME_PERC/server.hz/100;
比如，如果hz=1，一次清理的最大時間爲250ms，hz=10，一次清理的最大時間爲25ms。
3、如果是快速清理模式（在beforeSleep函數調用），則一次清理的最大時間是1ms。
4、依次遍歷所有的DB。
5、從db的過期列表中隨機取20個key，判斷是否過期，如果過期，則清理。
6、如果有5個以上的key過期，則重複步驟5，否則繼續處理下一個db
7、在清理過程中，如果達到CPU的25%時間，退出清理過程。從實現的算法中可以看出，這只是基於概率的簡單算法，且是隨機的抽取，因此是無法刪除所有的過期key，通過調高hz參數可以提升清理的頻率，過期key可以更及時的被刪除，但hz太高會增加CPU時間的消耗。
刪除key
Redis4.0以前，刪除指令是del，del會直接釋放對象的內存，大部分情況下，這個指令非常快，沒有任何延遲的感覺。但是，如果刪除的key是一個非常大的對象，比如一個包含了千萬元素的hash，那麼刪除操作就會導致單線程卡頓，Redis的響應就慢了。爲了解決這個問題，在Redis4.0版本引入了unlink指令，能對刪除操作進行“懶”處理，將刪除操作丟給後臺線程，由後臺線程來異步回收內存。
實際上，在判斷key需要過期之後，真正刪除key的過程是先廣播expire事件到從庫和AOF文件中，然後在根據redis的配置決定立即刪除還是異步刪除。
如果是立即刪除，Redis會立即釋放key和value佔用的內存空間，否則，Redis會在另一個bio線程中釋放需要延遲刪除的空間。
小結
總的來說，Redis的過期刪除策略是在啓動時註冊了serverCron函數，每一個時間時鐘週期，都會抽取expires字典中的部分key進行清理，從而實現定期刪除。另外，Redis會在訪問key時判斷key是否過期，如果過期了，就刪除，以及每一次Redis訪問事件到來時，beforeSleep都會調用activeExpireCycle函數，在1ms時間內主動清理部分key，這是惰性刪除的實現。
Redis結合了定期刪除和惰性刪除，基本上能很好的處理過期數據的清理，但是實際上還是有點問題的，如果過期key較多，定期刪除漏掉了一部分，而且也沒有及時去查，即沒有走惰性刪除，那麼就會有大量的過期key堆積在內存中，導致redis內存耗盡，當內存耗盡之後，有新的key到來會發生什麼事呢？是直接拋棄還是其他措施呢？有什麼辦法可以接受更多的key？
內存淘汰策略
Redis的內存淘汰策略，是指內存達到maxmemory極限時，使用某種算法來決定清理掉哪些數據，以保證新數據的存入。
Redis的內存淘汰機制
noeviction: 當內存不足以容納新寫入數據時，新寫入操作會報錯。
allkeys-lru：當內存不足以容納新寫入數據時，在鍵空間（
server.db[i].dict）中，移除最近最少使用的 key（這個是最常用的）。allkeys-random：當內存不足以容納新寫入數據時，在鍵空間（
server.db[i].dict）中，隨機移除某個 key。volatile-lru：當內存不足以容納新寫入數據時，在設置了過期時間的鍵空間（
server.db[i].expires）中，移除最近最少使用的 key。volatile-random：當內存不足以容納新寫入數據時，在設置了過期時間的鍵空間（
server.db[i].expires）中，隨機移除某個 key。volatile-ttl：當內存不足以容納新寫入數據時，在設置了過期時間的鍵空間（
server.db[i].expires）中，有更早過期時間的 key 優先移除。
在配置文件中，通過maxmemory-policy可以配置要使用哪一個淘汰機制。
什麼時候會進行淘汰？
Redis會在每一次處理命令的時候（processCommand函數調用freeMemoryIfNeeded）判斷當前redis是否達到了內存的最大限制，如果達到限制，則使用對應的算法去處理需要刪除的key。僞代碼如下：
int processCommand(client *c)
{
...
if (server.maxmemory) {
int retval = freeMemoryIfNeeded();
}
...
}LRU實現原理
在淘汰key時，Redis默認最常用的是LRU算法（Latest Recently Used）。Redis通過在每一個redisObject保存lru屬性來保存key最近的訪問時間，在實現LRU算法時直接讀取key的lru屬性。
具體實現時，Redis遍歷每一個db，從每一個db中隨機抽取一批樣本key，默認是3個key，再從這3個key中，刪除最近最少使用的key。實現僞代碼如下：
keys = getSomeKeys(dict, sample)
key = findSmallestIdle(keys)
remove(key)3這個數字是配置文件中的maxmeory-samples字段，也是可以可以設置採樣的大小，如果設置爲10，那麼效果會更好，不過也會耗費更多的CPU資源。
以上就是Redis內存回收機制的原理介紹，瞭解了上面的原理介紹後，回到一開始的問題，在懷疑Redis內存回收機制的時候能不能及時判斷故障是不是因爲Redis的內存回收機制導致的呢？
回到問題原點
如何證明故障是不是由內存回收機制引起的？
根據前面分析的內容，如果set沒有報錯，但是不生效，只有兩種情況：
1、設置的過期時間過短，比如，1s？
2、內存超過了最大限制，且設置的是noeviction或者allkeys-random。
因此，在遇到這種情況，首先看set的時候是否加了過期時間，且過期時間是否合理，如果過期時間較短，那麼應該檢查一下設計是否合理。
如果過期時間沒問題，那就需要查看Redis的內存使用率，查看Redis的配置文件或者在Redis中使用info命令查看Redis的狀態，maxmemory屬性查看最大內存值。如果是0，則沒有限制，此時是通過total_system_memory限制，對比used_memory與Redis最大內存，查看內存使用率。
如果當前的內存使用率較大，那麼就需要查看是否有配置最大內存，如果有且內存超了，那麼就可以初步判定是內存回收機制導致key設置不成功，還需要查看內存淘汰算法是否noeviction或者allkeys-random，如果是，則可以確認是redis的內存回收機制導致。如果內存沒有超，或者內存淘汰算法不是上面的兩者，則還需要看看key是否已經過期，通過ttl查看key的存活時間。如果運行了程序，set沒有報錯，則ttl應該馬上更新，否則說明set失敗，如果set失敗了那麼就應該查看操作的程序代碼是否正確了。
總結
Redis對於內存的回收有兩種方式，一種是過期key的回收，另一種是超過redis的最大內存後的內存釋放。
對於第一種情況，Redis會在：
1、每一次訪問的時候判斷key的過期時間是否到達，如果到達，就刪除key
2、redis啓動時會創建一個定時事件，會定期清理部分過期的key，默認是每秒執行十次檢查，每次過期key清理的時間不超過CPU時間的25%，即若hz=1，則一次清理時間最大爲250ms，若hz=10，則一次清理時間最大爲25ms。
對於第二種情況，redis會在每次處理redis命令的時候判斷當前redis是否達到了內存的最大限制，如果達到限制，則使用對應的算法去處理需要刪除的key。
看完這篇文章後，你能回答文章開頭的面試題了嗎？
思考
留下一道思考題，我們知道，Redis是單線程的，單線程的redis還包含了這麼多的任務每一次處理命令的線程都包含：處理命令、清理過期key、處理內存回收這些任務，爲什麼還能這麼快？裏面做了什麼優化？後續再探索這個問題，敬請關注。
原創文章，文筆有限，才疏學淺，文中若有不正之處，萬望告知。
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