Redis 内存淘汰机制

摘要

Redis是一款优秀的、开源的内存数据库,我在阅读Redis源码实现的过程中,时时刻刻能感受到Redis作者为更好地使用内存而费尽各种心思,例如最明显的是对于同一种数据结构在不同应用场景下提供了基于不同底层编码的实现(如压缩列表、跳跃表等)。今天我们暂时放下对Redis不同数据结构的探讨,来一起看看Redis提供的另一种机制——内存淘汰机制。

探初衷

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?这个问题很显然的我就不回答了。

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。

说到这里,对于这个“初衷”我们似乎寻到了一个听起来蛮有道理的解释,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,我使用Redis提供的这个特性呢?看看下面配置

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:

  1. 客户端发起了需要申请更多内存的命令(如set)。
  2. 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。
  3. 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:

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。

总结

本文的内容主要还是问题驱动的,为介绍Redis内存淘汰机制,本文从问题出发,通过解决什么是Redis内存淘汰机制?Redis内存淘汰机制应用场景是什么?初衷是什么?我们怎么开启这个功能?我们可配哪些淘汰策略?淘汰策略如何选择?等问题来谈Redis内存淘汰机制,希望本文能给大家带来一定的收获和启发。

在计算机设计中,实际上任何事情都要涉及权衡。——《现代操作系统》

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关于作者:Float_Lu

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