聊聊 Redis 記憶體淘汰策略
這一期咱們一起來看看 Redis 的記憶體淘汰策略~
為什麼要有記憶體淘汰機制
大家都知道 Redis 中的鍵會設定過期時間，當到達過期時間時會通過一定策略清除對應 key，但是 redis 記憶體是由上限的，當達到記憶體上限時，就要通過一定策略淘汰掉相應 kv 鍵值對。
Redis 記憶體上限
maxmemory 配置選項使用來配置 Redis 的儲存資料所能使用的最大記憶體限制。可以通過在內建檔案redis.conf中配置，也可在Redis執行時通過命令CONFIG SET來配置。例如，我們要配置記憶體上限是100M的Redis快取，那麼我們可以在 redis.conf 配置如下：
maxmemory 100mb
複製程式碼 設定 maxmemory 為 0 表示沒有記憶體限制。在 64-bit 系統中，預設是 0 無限制，但是在 32-bit 系統中預設是 3GB。
當儲存資料達到限制時，Redis 會根據情形選擇不同策略，或者返回errors（這樣會導致浪費更多的記憶體），或者清除一些舊資料回收記憶體來新增新資料。
Redis 記憶體淘汰策略
- noenviction：不清除資料，只是返回錯誤，這樣會導致浪費掉更多的記憶體，對大多數寫命令（DEL 命令和其他的少數命令例外）
- allkeys-lru：從所有的資料集中挑選最近最少使用的資料淘汰，以供新資料使用
- volatile-lru：從已設定過期時間的資料集中挑選最近最少使用的資料淘汰，以供新資料使用
- allkeys-random：從所有資料集中任意選擇資料淘汰，以供新資料使用
- volatile-random：從已設定過期時間的資料集中任意選擇資料淘汰，以供新資料使用
- volatile-ttl：從已設定過期時間的資料集中挑選將要過期的資料淘汰，以供新資料使用
- volatile-lfu：從所有配置了過期時間的鍵中淘汰使用頻率最少的鍵
- allkeys-lfu：從所有鍵中淘汰使用頻率最少的鍵
回收的過程
理解回收過程是運作流程非常的重要，回收過程如下：
- 一個客戶端執行一個新命令，添加了新資料。
- Redis檢查記憶體使用情況，如果大於maxmemory限制，根據策略來回收鍵。
- 一個新的命令被執行，如此等等。
我們新增資料時通過檢查，然後回收鍵以返回到限制以下，來連續不斷的穿越記憶體限制的邊界。
如果一個命令導致大量的記憶體被佔用(比如一個很大的集合儲存到一個新的鍵)，那麼記憶體限制很快就會被這個明顯的記憶體量所超越。
近似LRU演算法
Redis的LRU演算法不是一個嚴格的LRU實現。這意味著Redis不能選擇最佳候選鍵來回收，也就是最久未被訪問的那些鍵。相反，Redis 會嘗試執行一個近似的LRU演算法，通過取樣一小部分鍵，然後在取樣鍵中回收最適合(擁有最久訪問時間)的那個。
然而，從Redis3.0開始，演算法被改進為維護一個回收候選鍵池。這改善了演算法的效能，使得更接近於真實的LRU演算法的行為。Redis的LRU演算法有一點很重要，你可以調整演算法的精度，通過改變每次回收時檢查的取樣數量。
這個引數可以通過如下配置指令：
maxmemory-samples 5
複製程式碼Redis沒有使用真實的LRU實現的原因，是因為這會消耗更多的記憶體。然而，近似值對使用Redis的應用來說基本上也是等價的。
LFU
LFU (Least frequently used)最不經常使用演算法。而 LRU 是最近最少使用演算法。
從 Redis 4.0 開始，可以使用 LFU 過期策略。這種模式在某些情況下可能會更好（提供更好的命中率/未命中率），因為使用 LFU Redis 會嘗試跟蹤專案的訪問頻率，因此很少使用的專案會被淘汰，而經常使用的專案有更高的機會留在記憶體中。
那為什麼會出現 LFU 演算法那？大家請看下面的場景：
A - A - A - - - A - A -A - - -
B - - - - B - - B - - - - - - B
複製程式碼如果是LRU演算法 那麼會淘汰 A，因為 B 是最近使用的，但是很明顯 A 的使用頻率是最高的，理應留下 A，所以LFU演算法應運而生。（淘汰最少使用的 key）
LFU 把原來的 key 物件的內部時鐘的24位分成兩部分，前16位還代表時鐘，後8位代表一個計數器, 稱為Morris 計數器。後8位表示當前key物件的訪問頻率，8位只能代表255，但是 redis 並沒有採用線性上升的方式，而是通過一個複雜的公式，通過配置兩個引數來調整資料的遞增速度。
下圖從左到右表示key的命中次數，從上到下表示影響因子，在影響因子為100的條件下，經過10M次命中才能把後8位值加滿到255.
| factor | 100 hits | 1000 hits | 100K hits | 1M hits | 10M hits |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 104 | 255 | 255 | 255 | 255 |
| 1 | 18 | 49 | 255 | 255 | 255 |
| 10 | 10 | 18 | 142 | 255 | 255 |
| 100 | 8 | 11 | 49 | 143 | 255 |
這個引數是可配置的的，通過這個：
lfu-log-factor 10
複製程式碼上說的是計數器的增長，那麼什麼情況削減那？
預設是 如果一個 key 每一分鐘沒使用，Morris 計數器就削減 1. 這個也可以通過下面進行配置：
lfu-decay-time 1
複製程式碼有個問題就是，新的 key 怎麼辦，豈不是上來就被淘汰？
為了避免這種問題 Redis 預設情況下新分配的key的後8位計數器的值為5，防止因為訪問頻率過低而直接被刪除。
總結
Redis 為了避免記憶體超出容量，使用特定的記憶體淘汰策略來釋放記憶體，主要思想是 LRU 和 Redis 4.0 推出的 LFU 演算法。LRU 是最近最少使用演算法，LFU 是最少使用演算法。
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