本篇部落格是Redis系列的第5篇，主要講解下Redis的過期鍵刪除策略。

本系列的前4篇可以點選以下連結檢視：

Redis系列(一)：Redis簡介及環境安裝

Redis系列(二)：Redis的5種資料結構及其常用命令

Redis系列(三)：Redis的持久化機制(RDB、AOF)

Redis系列(四)：Redis的複製機制(主從複製)

劃重點：Redis的過期鍵刪除策略也是面試中經常會被問的，我最近面試，被問到了好幾次。

對於Redis伺服器來說，記憶體資源非常寶貴，如果一些過期鍵一直不被刪除，就會造成資源浪費，

因此我們需要考慮一個問題：如果一個鍵過期了，它什麼時候會被刪除呢？

1. 常見的刪除策略

常見的刪除策略有以下3種：

1. 定時刪除

   在設定鍵的過期時間的同時，建立一個定時器，讓定時器在鍵的過期時間來臨時，立即執行對鍵的刪除操作。

2. 惰性刪除

   放任過期鍵不管，每次從鍵空間中獲取鍵時，檢查該鍵是否過期，如果過期，就刪除該鍵，如果沒有過期，就返回該鍵。

3. 定期刪除

   每隔一段時間，程式對資料庫進行一次檢查，刪除裡面的過期鍵，至於要刪除哪些資料庫的哪些過期鍵，則由演算法決定。

其中定時刪除和定期刪除為主動刪除策略，惰性刪除為被動刪除策略。

接下來我們一一講解。

1.1 定時刪除策略

定時刪除策略通過使用定時器，定時刪除策略可以保證過期鍵儘可能快地被刪除，並釋放過期鍵佔用的記憶體。

因此，定時刪除策略的優缺點如下所示：

1. 優點：對記憶體非常友好
2. 缺點：對CPU時間非常不友好

舉個例子，如果有大量的命令請求等待伺服器處理，並且伺服器當前不缺少記憶體，如果伺服器將大量的CPU時間用來刪除過期鍵，那麼伺服器的響應時間和吞吐量就會受到影響。

也就是說，如果伺服器建立大量的定時器，伺服器處理命令請求的效能就會降低，

因此Redis目前並沒有使用定時刪除策略。

1.2 惰性刪除策略

惰性刪除策略只會在獲取鍵時才對鍵進行過期檢查，不會在刪除其它無關的過期鍵花費過多的CPU時間。

因此，惰性刪除策略的優缺點如下所示：

1. 優點：對CPU時間非常友好
2. 缺點：對記憶體非常不友好

舉個例子，如果資料庫有很多的過期鍵，而這些過期鍵又恰好一直沒有被訪問到，那這些過期鍵就會一直佔用著寶貴的記憶體資源，造成資源浪費。

1.3 定期刪除策略

定期刪除策略是定時刪除策略和惰性刪除策略的一種整合折中方案。

定期刪除策略每隔一段時間執行一次刪除過期鍵操作，並通過限制刪除操作執行的時長和頻率來減少刪除操作對CPU時間的影響，同時，通過定期刪除過期鍵，也有效地減少了因為過期鍵而帶來的記憶體浪費。

2. Redis使用的過期鍵刪除策略

Redis伺服器使用的是惰性刪除策略和定期刪除策略。

2.1 惰性刪除策略的實現

過期鍵的惰性刪除策略由expireIfNeeded函式實現，所有讀寫資料庫的Redis命令在執行之前都會呼叫expireIfNeeded函式對輸入鍵進行檢查：

• 如果輸入鍵已經過期，那麼將輸入鍵從資料庫中刪除
• 如果輸入鍵未過期，那麼不做任何處理

以上描述可以使用如下流程圖表示：

2.2 定期刪除策略的實現

過期鍵的定期刪除策略由activeExpireCycle函式實現，每當Redis伺服器的週期性操作serverCron函式執行時，activeExpireCycle函式就會被呼叫，它在規定的時間內，分多次遍歷伺服器中的各個資料庫，從資料庫的expires字典中隨機檢查一部分鍵的過期時間，並刪除其中的過期鍵。

activeExpireCycle函式的大體流程為：

函式每次執行時，都從一定數量的資料庫中隨機取出一定數量的鍵進行檢查，並刪除其中的過期鍵，比如先從0號資料庫開始檢查，下次函式執行時，可能就是從1號資料庫開始檢查，直到15號資料庫檢查完畢，又重新從0號資料庫開始檢查，這樣可以保證每個資料庫都被檢查到。

劃重點：

1. 關於定期刪除的大體流程，最近面試時有被問道，我就是按上述描述回答的。
2. 可能有的面試官還會問，每次隨機刪除哪些key呢？可以提下LRU演算法（Least Recently Used 最近最少使用），一般不會再細問，不過有興趣的同學可以深入研究下。

3. RDB對過期鍵的處理

3.1 生成RDB檔案

在執行SAVE命令或者BGSAVE命令建立一個新的RDB檔案時，程式會對資料庫中的鍵進行檢查，已過期的鍵不會被儲存到新建立的RDB檔案中。

舉個例子，如果資料庫中包含3個鍵k1、k2、k3，並且k2已經過期，那麼建立新的RDB檔案時，程式只會將k1和k3儲存到RDB檔案中，k2則會被忽略。

3.2 載入RDB檔案

在啟動Redis伺服器時，如果伺服器只開啟了RDB持久化，那麼伺服器將會載入RDB檔案：

• 如果伺服器以主伺服器模式執行，在載入RDB檔案時，程式會對檔案中儲存的鍵進行檢查，未過期的鍵會被載入到資料庫中，過期鍵會被忽略。

• 如果伺服器以從伺服器模式執行，在載入RDB檔案時，檔案中儲存的所有鍵，不論是否過期，都會被載入到資料庫中。

  因為主從伺服器在進行資料同步（完整重同步）的時候，從伺服器的資料庫會被清空，所以一般情況下，過期鍵對載入RDB檔案的從伺服器不會造成影響。

4. AOF對過期鍵的處理

4.1 AOF檔案寫入

如果資料庫中的某個鍵已經過期，並且伺服器開啟了AOF持久化功能，當過期鍵被惰性刪除或者定期刪除後，程式會向AOF檔案追加一條DEL命令，顯式記錄該鍵已被刪除。

舉個例子，如果客戶端執行命令GET message訪問已經過期的message鍵，那麼伺服器將執行以下3個動作：

1. 從資料庫中刪除message鍵
2. 追加一條DEL message命令到AOF檔案
3. 向執行GET message命令的客戶端返回空回覆

4.2 AOF檔案重寫

在執行AOF檔案重寫時，程式會對資料庫中的鍵進行檢查，已過期的鍵不會被儲存到重寫後的AOF檔案中。

5. 複製功能對過期鍵的處理

在主從複製模式下，從伺服器的過期鍵刪除動作由主伺服器控制：

• 主伺服器在刪除一個過期鍵後，會顯式地向所有從伺服器傳送一個DEL命令，告知從伺服器刪除這個過期鍵。
• 從伺服器在執行客戶端傳送的讀命令時，即使發現該鍵已過期也不會刪除該鍵，照常返回該鍵的值。
• 從伺服器只有接收到主伺服器傳送的DEL命令後，才會刪除過期鍵。

6. 原始碼及參考

黃健巨集 《Redis設計與實現