Redis中的過期鍵以及如何刪除的?

勤能補拙是良訓，一分耕耘一分才。——華羅庚

引導語

Redis伺服器的資料庫實現進行詳細介紹，說明伺服器保存資料庫的方法，客戶端切換資料庫的方法，資料庫保存鍵值對的方法，以及針對資料庫的添加、刪除、查看、更新操作的實現方法等。除此之外，本章還會說明伺服器保存鍵的過期時間的方法，以及伺服器自動刪除過期鍵的方法。

1 伺服器中的資料庫

Redis伺服器將所有資料庫都保存在伺服器狀態redis.h/redisServer結構的db數組中，db數組的每個項都是一個redis.h/redisDb結構，每個redisDb結構代表一個資料庫：

struct redisServer {

//一個數組，保存著伺服器中的所有資料庫

redisDb *db;

};

在初始化伺服器時，程序會根據伺服器狀態的dbnum屬性來決定應該創建多少個資料庫：

struct redisServer {

//伺服器的資料庫數量

int dbnum;

};

dbnum屬性的值由伺服器配置的database選項決定，默認情況下，該選項的值為16，所以Redis伺服器默認會創建16個資料庫。

2 切換資料庫

每個Redis客戶端都有自己的目標資料庫，每當客戶端執行資料庫寫命令或者資料庫讀命令的時候，目標資料庫就會成為這些命令的操作對象。

默認情況下，Redis客戶端的目標資料庫為0號資料庫，但客戶端可以通過執行SELECT命令來切換目標資料庫。

在伺服器內部，客戶端狀態redisClient結構的db屬性記錄了客戶端當前的目標資料庫，這個屬性是一個指向redisDb結構的指針：

typedef struct redisClient {

//記錄客戶端當前正在使用的資料庫

redisDb *db;

} redisClient;

redisClient.db指針指向redisServer.db數組的其中一個元素，而被指向的元素就是客戶端的目標資料庫。

客戶端的目標資料庫為1號資料庫

3 資料庫鍵空間

Redis是一個鍵值對資料庫伺服器，伺服器中的每個資料庫都由一個redis.h/redisDb結構表示，其中，redisDb結構的dict字典保存了資料庫中的所有鍵值對，我們將這個字典稱為鍵空間：

typedef struct redisDb {

//資料庫鍵空間，保存著資料庫中的所有鍵值對

dict *dict;

} redisDb;

鍵空間和用戶所見的資料庫是直接對應的：

a. 鍵空間的鍵也就是資料庫的鍵，每個鍵都是一個字符串對象。

b. 鍵空間的值也就是資料庫的值，每個值可以是字符串對象、列表對象、哈希表對象、集合對象和有序集合對象中的任意一種Redis對象。

資料庫鍵空間例子

因為資料庫的鍵空間是一個字典，所以所有針對資料庫的操作，比如添加一個鍵值對到資料庫，或者從資料庫中刪除一個鍵值對，又或者在資料庫中獲取某個鍵值對等，實際上都是通過對鍵空間字典進行操作來實現的。

讀寫鍵空間時的維護操作

當使用Redis命令對資料庫進行讀寫時，伺服器不僅會對鍵空間執行指定的讀寫操作，還會執行一些額外的維護操作，其中包括：

a. 在讀取一個鍵之後（讀操作和寫操作都要對鍵進行讀取），伺服器會根據鍵是否存在來更新伺服器的鍵空間命中（hit）次數或鍵空間不命中（miss）次數，這兩個值可以在INFO stats命令的keyspace_hits屬性和keyspace_misses屬性中查看。

b. 在讀取一個鍵之後，伺服器會更新鍵的LRU（最後一次使用）時間，這個值可以用於計算鍵的閒置時間，使用OBJECT idletime命令可以查看鍵key的閒置時間。

c. 如果伺服器在讀取一個鍵時發現該鍵已經過期，那麼伺服器會先刪除這個過期鍵，然後才執行餘下的其他操作，本章稍後對過期鍵的討論會詳細說明這一點。

d. 如果有客戶端使用WATCH命令監視了某個鍵，那麼伺服器在對被監視的鍵進行修改之後，會將這個鍵標記為髒（dirty），從而讓事務程序注意到這個鍵已經被修改過。

e. 伺服器每次修改一個鍵之後，都會對髒（dirty）鍵計數器的值增1，這個計數器會觸發伺服器的持久化以及複製操作。

f. 如果伺服器開啟了資料庫通知功能，那麼在對鍵進行修改之後，伺服器將按配置發送相應的資料庫通知。

4 設置鍵的生存時間或過期時間

通過EXPIRE命令或者PEXPIRE命令，客戶端可以以秒或者毫秒精度為資料庫中的某個鍵設置生存時間（Time To Live，TTL），在經過指定的秒數或者毫秒數之後，伺服器就會自動刪除生存時間為0的鍵。

SETEX命令可以在設置一個字符串鍵的同時為鍵設置過期時間，因為這個命令是一個類型限定的命令（只能用於字符串鍵）。

過期時間是一個UNIX時間戳，當鍵的過期時間來臨時，伺服器就會自動從資料庫中刪除這個鍵。

TTL命令和PTTL命令接受一個帶有生存時間或者過期時間的鍵，返回這個鍵的剩餘生存時間，也就是，返回距離這個鍵被伺服器自動刪除還有多長時間；都是通過計算鍵的過期時間和當前時間之間的差來實現的。

設置過期時間

Redis有四個不同的命令可以用於設置鍵的生存時間（鍵可以存在多久）或過期時間（鍵什麼時候會被刪除）：

· EXPIRE＜key＞＜ttl＞命令用於將鍵key的生存時間設置為ttl秒。

· PEXPIRE＜key＞＜ttl＞命令用於將鍵key的生存時間設置為ttl毫秒。

· EXPIREAT＜key＞＜timestamp＞命令用於將鍵key的過期時間設置為timestamp所指定的秒數時間戳。

· PEXPIREAT＜key＞＜timestamp＞命令用於將鍵key的過期時間設置為timestamp所指定的毫秒數時間戳。

實際上EXPIRE、PEXPIRE、EXPIREAT三個命令都是使用PEXPIREAT命令來實現的。

設置生存時間和設置過期時間的命令之間

保存過期時間

redisDb結構的expires字典保存了資料庫中所有鍵的過期時間，我們稱這個字典為過期字典：

a. 過期字典的鍵是一個指針，這個指針指向鍵空間中的某個鍵對象（也即是某個資料庫鍵）。

b. 過期字典的值是一個long long類型的整數，這個整數保存了鍵所指向的資料庫鍵的過期時間——一個毫秒精度的UNIX時間戳。

typedef struct redisDb {

//過期字典，保存著鍵的過期時間

dict *expires;

} redisDb;

鍵空間的鍵和過期字典的鍵都指向同一個鍵對象，所以不會出現任何重複對象，也不會浪費任何空間。

移除過期時間

PERSIST命令可以移除一個鍵的過期時間。

PERSIST命令就是PEXPIREAT命令的反操作：PERSIST命令在過期字典中查找給定的鍵，並解除鍵和值（過期時間）在過期字典中的關聯。

過期鍵的判定

通過過期字典，程序可以用以下步驟檢查一個給定鍵是否過期：

a. 檢查給定鍵是否存在於過期字典：如果存在，那麼取得鍵的過期時間。

b. 檢查當前UNIX時間戳是否大於鍵的過期時間：如果是的話，那麼鍵已經過期；否則的話，鍵未過期。

(*)實現過期鍵判定的另一種方法是使用TTL命令或者PTTL命令，比如說，如果對某個鍵執行TTL命令，並且命令返回的值大於等於0，那麼說明該鍵未過期。在實際中，Redis檢查鍵是否過期的方法和is_expired函數所描述的方法一致，因為直接訪問字典比執行一個命令稍微快一些。

5 Redis的過期鍵刪除策略

如果一個鍵過期了，那麼它什麼時候會被刪除呢？

Redis伺服器實際使用的是惰性刪除和定期刪除兩種策略：通過配合使用這兩種刪除策略，伺服器可以很好地在合理使用CPU時間和避免浪費內存空間之間取得平衡。

惰性刪除策略的實現

過期鍵的惰性刪除策略由db.c/expireIfNeeded函數實現，所有讀寫資料庫的Redis命令在執行之前都會調用expireIfNeeded函數對輸入鍵進行檢查：

· 如果輸入鍵已經過期，那麼expireIfNeeded函數將輸入鍵從資料庫中刪除。

· 如果輸入鍵未過期，那麼expireIfNeeded函數不做動作。

命令調用expireIfNeeded來刪除過期鍵

GET命令的執行過程

定期刪除策略的實現

過期鍵的定期刪除策略由redis.c/activeExpireCycle函數實現，每當Redis的伺服器周期性操作redis.c/serverCron函數執行時，activeExpireCycle函數就會被調用，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。

說明：

· 定時刪除佔用太多CPU時間，影響伺服器的響應時間和吞吐量。

· 惰性刪除浪費太多內存，有內存洩漏的危險。

定期刪除策略是前兩種策略的一種整合和折中：

· 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。

AOF和RDB持久化時對過期鍵的處理，請參考

《面試常問道：Redis持久化之RDB》

《面試常問道：Redis持久化之AOF》

redis 2.9版本

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