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Redis中过期操作和过期策略的示例分析

Redis Assistant
Redis Assistant

Redis Assistant 是一款为Redis设计的高效可视化管理与监控工具,提供多种操作模式,高效处理服务器数据。日常使用里的持续防护和信息管理会更突出,适合把安全控制放进长期使用流程中的场景。

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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:expirekeyseconds:设置key在n秒后过期。pexpirekeymilliseconds:设置key在n毫秒后过期。expireatkeytimestamp:设置key在某个时间戳(精确到秒)之后过期。pexpireatkeymillisecondsTimestamp:设置key在某个时间戳(精确到毫秒)之后过期。可用命令ttlkey(以秒为单位)或pttlkey(以毫秒为单位)来查看key还有多久过期。Redis可以使用time

本文目录

    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 Redis 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。

    Redis中过期操作和过期策略的示例分析

    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:

    Redis中过期操作和过期策略的示例分析

    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。

    Redis中过期操作和过期策略的示例分析

    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。

    Redis中过期操作和过期策略的示例分析

    • 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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