Redis 内存淘汰机制

小灰灰 2020-05-01 19:49 759阅读 0赞

# Redis 内存淘汰机制

Redis 内存淘汰指的是用户存储的一些键被可以被 Redis 主动地从实例中删除，从而产生读 miss 的情况，那么 Redis 为什么要有这种功能？这就是我们需要探究的设计初衷。Redis 最常见的两种应用场景为缓存和持久存储，首先要明确的一个问题是内存淘汰策略更适合于那种场景？是持久存储还是缓存？

假设我们有一个 Redis 服务器，服务器物理内存大小为 1G 的，我们需要存在 Redis 中的数据量很小，这看起来似乎足够用很长时间了，随着业务量的增长，我们放在 Redis 里面的数据越来越多了，数据量大小似乎超过了 1G，但是应用还可以正常运行，这是因为操作系统的可见内存并不受物理内存限制，而是虚拟内存，物理内存不够用没关系，操作系统会从硬盘上划出一片空间用于构建虚拟内存，比如32位的操作系统的可见内存大小为 `2^32`，而用户空间的可见内存要小于 `2^32` 很多，大概是 3G 左右。好了，我们庆幸操作系统为我们做了这些，但是我们需要知道这背后的代价是不菲的，不合理的使用内存有可能发生频繁的 swap，频繁 swap 的代价是惨痛的。所以回过头来看，作为有追求的程序员，我们还是要小心翼翼地使用好每块内存，把用户代码能解决的问题尽量不要抛给操作系统解决。

**内存的淘汰机制的初衷是为了更好地使用内存，用一定的缓存 miss 来换取内存的使用效率。**

## 如何用

作为 Redis 用户，我们如何使用 Redis 提供的这个特性呢？

```text
# maxmemory <bytes>
```

我们可以通过配置 `redis.conf` 中的 `maxmemory` 这个值来开启内存淘汰功能，至于这个值有什么意义，我们可以通过了解内存淘汰的过程来理解它的意义：

- 客户端发起了需要申请更多内存的命令（如set）
- Redis 检查内存使用情况，如果已使用的内存大于 `maxmemory` 则开始根据用户配置的不同淘汰策略来淘汰内存（key），从而换取一定的内存
- 如果上面都没问题，则这个命令执行成功

`maxmemory` 为 0 的时候表示我们对 Redis 的内存使用没有限制

## 内存淘汰策略

内存淘汰只是 Redis 提供的一个功能，为了更好地实现这个功能，必须为不同的应用场景提供不同的策略，内存淘汰策略讲的是为实现内存淘汰我们具体怎么做，要解决的问题包括淘汰键空间如何选择？在键空间中淘汰键如何选择？

Redis 提供了下面几种淘汰策略供用户选择，其中默认的策略为 `noeviction` 策略：

- noeviction：当内存使用达到阈值的时候，所有引起申请内存的命令会报错
- allkeys-lru：在主键空间中，优先移除最近未使用的key
- volatile-lru：在设置了过期时间的键空间中，优先移除最近未使用的 key
- allkeys-random：在主键空间中，随机移除某个 key
- volatile-random：在设置了过期时间的键空间中，随机移除某个 key
- volatile-ttl：在设置了过期时间的键空间中，具有更早过期时间的 key 优先移除

这里补充一下主键空间和设置了过期时间的键空间，举个例子，假设我们有一批键存储在Redis中，则有那么一个哈希表用于存储这批键及其值，如果这批键中有一部分设置了过期时间，那么这批键还会被存储到另外一个哈希表中，这个哈希表中的值对应的是键被设置的过期时间。设置了过期时间的键空间为主键空间的子集。

## 如何选择淘汰策略

我们了解了 Redis 大概提供了这么几种淘汰策略，那么如何选择呢？淘汰策略的选择可以通过下面的配置指定：

```text
# maxmemory-policy noeviction
```

但是这个值填什么呢？为解决这个问题，我们需要了解我们的应用请求对于 Redis 中存储的数据集的访问方式以及我们的诉求是什么。同时 Redis 也支持 Runtime 修改淘汰策略，这使得我们不需要重启 Redis 实例而实时的调整内存淘汰策略。

下面看看几种策略的适用场景：

- allkeys-lru：如果我们的应用对缓存的访问符合幂律分布（也就是存在相对热点数据），或者我们不太清楚我们应用的缓存访问分布状况，我们可以选择 allkeys-lru 策略
- allkeys-random：如果我们的应用对于缓存 key 的访问概率相等，则可以使用这个策略
- volatile-ttl：这种策略使得我们可以向 Redis 提示哪些 key 更适合被 eviction

另外，`volatile-lru` 策略和 `volatile-random` 策略适合我们将一个Redis实例既应用于缓存和又应用于持久化存储的时候，然而我们也可以通过使用两个 Redis 实例来达到相同的效果，值得一提的是将key设置过期时间实际上会消耗更多的内存，因此我们建议使用 `allkeys-lru` 策略从而更有效率的使用内存。

## 非精准的 LRU

上面提到的 LRU（Least Recently Used）策略，实际上 Redis 实现的 LRU 并不是可靠的 LRU，也就是名义上我们使用 LRU 算法淘汰键，但是实际上被淘汰的键并不一定是真正的最久没用的，这里涉及到一个权衡的问题，如果需要在全部键空间内搜索最优解，则必然会增加系统的开销，Redis 是单线程的，也就是同一个实例在每一个时刻只能服务于一个客户端，所以耗时的操作一定要谨慎。为了在一定成本内实现相对的 LRU，早期的 Redis 版本是基于采样的 LRU，也就是放弃全部键空间内搜索解改为采样空间搜索最优解。自从 Redis3.0 版本之后，Redis 作者对于基于采样的 LRU 进行了一些优化，目的是在一定的成本内让结果更靠近真实的 LRU。