Redis作为缓存使用时,一些场景下要考虑内存的空间消耗问题。Redis会删除过期键以释放空间,过期键的删除策略有两种:
 
ASP站长网惰性删除:每次从键空间中获取键时,都检查取得的键是否过期,如果过期的话,就删除该键;如果没有过期,就返回该键。
定期删除:每隔一段时间,程序就对数据库进行一次检查,删除里面的过期键。
另外,Redis也可以开启LRU功能来自动淘汰一些键值对。
 
LRU算法
当需要从缓存中淘汰数据时,我们希望能淘汰那些将来不可能再被使用的数据,保留那些将来还会频繁访问的数据,但最大的问题是缓存并不能预言未来。一个解决方法就是通过LRU进行预测:最近被频繁访问的数据将来被访问的可能性也越大。缓存中的数据一般会有这样的访问分布:一部分数据拥有绝大部分的访问量。当访问模式很少改变时,可以记录每个数据的最后一次访问时间,拥有最少空闲时间的数据可以被认为将来最有可能被访问到。
 
举例如下的访问模式,A每5s访问一次,B每2s访问一次,C与D每10s访问一次,|代表计算空闲时间的截止点:
 
~~~~~A~~~~~A~~~~~A~~~~A~~~~~A~~~~~A~~|
~~B~~B~~B~~B~~B~~B~~B~~B~~B~~B~~B~~B~|
~~~~~~~~~~C~~~~~~~~~C~~~~~~~~~C~~~~~~|
~~~~~D~~~~~~~~~~D~~~~~~~~~D~~~~~~~~~D|
可以看到,LRU对于A、B、C工作的很好,完美预测了将来被访问到的概率B>A>C,但对于D却预测了最少的空闲时间。
 
但是,总体来说,LRU算法已经是一个性能足够好的算法了
 
LRU配置参数
Redis配置中和LRU有关的有三个:
 
maxmemory: 配置Redis存储数据时指定限制的内存大小,比如100m。当缓存消耗的内存超过这个数值时, 将触发数据淘汰。该数据配置为0时,表示缓存的数据量没有限制, 即LRU功能不生效。64位的系统默认值为0,32位的系统默认内存限制为3GB
maxmemory_policy: 触发数据淘汰后的淘汰策略
maxmemory_samples: 随机采样的精度,也就是随即取出key的数目。该数值配置越大, 越接近于真实的LRU算法,但是数值越大,相应消耗也变高,对性能有一定影响,样本值默认为5。
淘汰策略
淘汰策略即maxmemory_policy的赋值有以下几种:
 
noeviction:如果缓存数据超过了maxmemory限定值,并且客户端正在执行的命令(大部分的写入指令,但DEL和几个指令例外)会导致内存分配,则向客户端返回错误响应
allkeys-lru: 对所有的键都采取LRU淘汰
volatile-lru: 仅对设置了过期时间的键采取LRU淘汰
allkeys-random: 随机回收所有的键
volatile-random: 随机回收设置过期时间的键
volatile-ttl: 仅淘汰设置了过期时间的键---淘汰生存时间TTL(Time To Live)更小的键
volatile-lru, volatile-random和volatile-ttl这三个淘汰策略使用的不是全量数据,有可能无法淘汰出足够的内存空间。在没有过期键或者没有设置超时属性的键的情况下,这三种策略和noeviction差不多。
 
一般的经验规则:
 
使用allkeys-lru策略:当预期请求符合一个幂次分布(二八法则等),比如一部分的子集元素比其它其它元素被访问的更多时,可以选择这个策略。
使用allkeys-random:循环连续的访问所有的键时,或者预期请求分布平均(所有元素被访问的概率都差不多)
使用volatile-ttl:要采取这个策略,缓存对象的TTL值最好有差异
volatile-lru 和 volatile-random策略,当你想要使用单一的Redis实例来同时实现缓存淘汰和持久化一些经常使用的键集合时很有用。未设置过期时间的键进行持久化保存,设置了过期时间的键参与缓存淘汰。不过一般运行两个实例是解决这个问题的更好方法。
 
为键设置过期时间也是需要消耗内存的,所以使用allkeys-lru这种策略更加节省空间,因为这种策略下可以不为键设置过期时间。
 
近似LRU算法
我们知道,LRU算法需要一个双向链表来记录数据的最近被访问顺序,但是出于节省内存的考虑,Redis的LRU算法并非完整的实现。Redis并不会选择最久未被访问的键进行回收,相反它会尝试运行一个近似LRU的算法,通过对少量键进行取样,然后回收其中的最久未被访问的键。通过调整每次回收时的采样数量maxmemory-samples,可以实现调整算法的精度。
 
根据Redis作者的说法,每个Redis Object可以挤出24 bits的空间,但24 bits是不够存储两个指针的,而存储一个低位时间戳是足够的,Redis Object以秒为单位存储了对象新建或者更新时的unix time,也就是LRU clock,24 bits数据要溢出的话需要194天,而缓存的数据更新非常频繁,已经足够了。
 
Redis的键空间是放在一个哈希表中的,要从所有的键中选出一个最久未被访问的键,需要另外一个数据结构存储这些源信息,这显然不划算。最初,Redis只是随机的选3个key,然后从中淘汰,后来算法改进到了N个key的策略,默认是5个。
 
Redis3.0之后又改善了算法的性能,会提供一个待淘汰候选key的pool,里面默认有16个key,按照空闲时间排好序。更新时从Redis键空间随机选择N个key,分别计算它们的空闲时间idle,key只会在pool不满或者空闲时间大于pool里最小的时,才会进入pool,然后从pool中选择空闲时间最大的key淘汰掉。
 
真实LRU算法与近似LRU的算法可以通过下面的图像对比: 
 
浅灰色带是已经被淘汰的对象,灰色带是没有被淘汰的对象,绿色带是新添加的对象。可以看出,maxmemory-samples值为5时Redis 3.0效果比Redis 2.8要好。使用10个采样大小的Redis 3.0的近似LRU算法已经非常接近理论的性能了。
 
数据访问模式非常接近幂次分布时,也就是大部分的访问集中于部分键时,LRU近似算法会处理得很好。
 
在模拟实验的过程中,我们发现如果使用幂次分布的访问模式,真实LRU算法和近似LRU算法几乎没有差别。
 
LRU源码分析
Redis中的键与值都是redisObject对象:
 
typedef struct redisObject {
    unsigned type:4;
    unsigned encoding:4;
    unsigned lru:LRU_BITS; /* LRU time (relative to global lru_clock) or
                            * LFU data (least significant 8 bits frequency
                            * and most significant 16 bits access time). */
    int refcount;
    void *ptr;
} robj;
unsigned的低24 bits的lru记录了redisObj的LRU time。
 
Redis命令访问缓存的数据时,均会调用函数lookupKey:
 
robj *lookupKey(redisDb *db, robj *key, int flags) {
    dictEntry *de = dictFind(db->dict,key->ptr);
    if (de) {
        robj *val = dictGetVal(de);
 
        /* Update the access time for the ageing algorithm.
         * Don't do it if we have a saving child, as this will trigger
         * a copy on write madness. */
        if (server.rdb_child_pid == -1 &&
            server.aof_child_pid == -1 &&
            !(flags & LOOKUP_NOTOUCH))
        {
            if (server.maxmemory_policy & MAXMEMORY_FLAG_LFU) {
                updateLFU(val);
            } else {
                val->lru = LRU_CLOCK();
            }
        }
        return val;
    } else {
        return NULL;
    }
}
该函数在策略为LRU(非LFU)时会更新对象的lru值, 设置为LRU_CLOCK()值:
 
/* Return the LRU clock, based on the clock resolution. This is a time
 * in a reduced-bits format that can be used to set and check the
 * object->lru field of redisObject structures. */
unsigned int getLRUClock(void) {
    return (mstime()/LRU_CLOCK_RESOLUTION) & LRU_CLOCK_MAX;
}
 
/* This function is used to obtain the current LRU clock.
 * If the current resolution is lower than the frequency we refresh the
 * LRU clock (as it should be in production servers) we return the
 * precomputed value, otherwise we need to resort to a system call. */
unsigned int LRU_CLOCK(void) {
    unsigned int lruclock;
    if (1000/server.hz <= LRU_CLOCK_RESOLUTION) {
        atomicGet(server.lruclock,lruclock);
    } else {
        lruclock = getLRUClock();
    }
    return lruclock;
}
LRU_CLOCK()取决于LRU_CLOCK_RESOLUTION(默认值1000),LRU_CLOCK_RESOLUTION代表了LRU算法的精度,即一个LRU的单位是多长。server.hz代表服务器刷新的频率,如果服务器的时间更新精度值比LRU的精度值要小,LRU_CLOCK()直接使用服务器的时间,减小开销。
 
Redis处理命令的入口是processCommand:
 
int processCommand(client *c) {
 
    /* Handle the maxmemory directive.
     *
     * Note that we do not want to reclaim memory if we are here re-entering
     * the event loop since there is a busy Lua script running in timeout
     * condition, to avoid mixing the propagation of scripts with the
     * propagation of DELs due to eviction. */
    if (server.maxmemory && !server.lua_timedout) {
        int out_of_memory = freeMemoryIfNeededAndSafe() == C_ERR;
        /* freeMemoryIfNeeded may flush slave output buffers. This may result
         * into a slave, that may be the active client, to be freed. */
        if (server.current_client == NULL) return C_ERR;
 
        /* It was impossible to free enough memory, and the command the client
         * is trying to execute is denied during OOM conditions or the client
         * is in MULTI/EXEC context? Error. */
        if (out_of_memory &&
            (c->cmd->flags & CMD_DENYOOM ||
             (c->flags & CLIENT_MULTI && c->cmd->proc != execCommand))) {
            flagTransaction(c);
            addReply(c, shared.oomerr);
            return C_OK;
        }
    }
}
只列出了释放内存空间的部分,freeMemoryIfNeededAndSafe为释放内存的函数:
 
int freeMemoryIfNeeded(void) {
    /* By default replicas should ignore maxmemory
     * and just be masters exact copies. */
    if (server.masterhost && server.repl_slave_ignore_maxmemory) return C_OK;
 
    size_t mem_reported, mem_tofree, mem_freed;
    mstime_t latency, eviction_latency;
    long long delta;
    int slaves = listLength(server.slaves);
 
    /* When clients are paused the dataset should be static not just from the
     * POV of clients not being able to write, but also from the POV of
     * expires and evictions of keys not being performed. */
    if (clientsArePaused()) return C_OK;
    if (getMaxmemoryState(&mem_reported,NULL,&mem_tofree,NULL) == C_OK)
        return C_OK;
 
    mem_freed = 0;
 
    if (server.maxmemory_policy == MAXMEMORY_NO_EVICTION)
        goto cant_free; /* We need to free memory, but policy forbids. */
 
    latencyStartMonitor(latency);
    while (mem_freed < mem_tofree) {
        int j, k, i, keys_freed = 0;
        static unsigned int next_db = 0;
        sds bestkey = NULL;
        int bestdbid;
        redisDb *db;
        dict *dict;
        dictEntry *de;
 
        if (server.maxmemory_policy & (MAXMEMORY_FLAG_LRU|MAXMEMORY_FLAG_LFU) ||
            server.maxmemory_policy == MAXMEMORY_VOLATILE_TTL)
        {
            struct evictionPoolEntry *pool = EvictionPoolLRU;
 
            while(bestkey == NULL) {
                unsigned long total_keys = 0, keys;
 
                /* We don't want to make local-db choices when expiring keys,
                 * so to start populate the eviction pool sampling keys from
                 * every DB. */
                for (i = 0; i < server.dbnum; i++) {
                    db = server.db+i;
                    dict = (server.maxmemory_policy & MAXMEMORY_FLAG_ALLKEYS) ?
                            db->dict : db->expires;
                    if ((keys = dictSize(dict)) != 0) {
                        evictionPoolPopulate(i, dict, db->dict, pool);
                        total_keys += keys;
                    }
                }
                if (!total_keys) break; /* No keys to evict. */
 
                /* Go backward from best to worst element to evict. */
                for (k = EVPOOL_SIZE-1; k >= 0; k--) {
                    if (pool[k].key == NULL) continue;
                    bestdbid = pool[k].dbid;
 
                    if (server.maxmemory_policy & MAXMEMORY_FLAG_ALLKEYS) {
                        de = dictFind(server.db[pool[k].dbid].dict,
                            pool[k].key);
                    } else {
                        de = dictFind(server.db[pool[k].dbid].expires,
                            pool[k].key);
                    }
 
                    /* Remove the entry from the pool. */
                    if (pool[k].key != pool[k].cached)
                        sdsfree(pool[k].key);
                    pool[k].key = NULL;
                    pool[k].idle = 0;
 
                    /* If the key exists, is our pick. Otherwise it is
                     * a ghost and we need to try the next element. */
                    if (de) {
                        bestkey = dictGetKey(de);
                        break;
                    } else {
                        /* Ghost... Iterate again. */
                    }
                }
            }
        }
 
        /* volatile-random and allkeys-random policy */
        else if (server.maxmemory_policy == MAXMEMORY_ALLKEYS_RANDOM ||
                 server.maxmemory_policy == MAXMEMORY_VOLATILE_RANDOM)
        {
            /* When evicting a random key, we try to evict a key for
             * each DB, so we use the static 'next_db' variable to
             * incrementally visit all DBs. */
            for (i = 0; i < server.dbnum; i++) {
                j = (++next_db) % server.dbnum;
                db = server.db+j;
                dict = (server.maxmemory_policy == MAXMEMORY_ALLKEYS_RANDOM) ?
                        db->dict : db->expires;
                if (dictSize(dict) != 0) {
                    de = dictGetRandomKey(dict);
                    bestkey = dictGetKey(de);
                    bestdbid = j;
                    break;
                }
            }
        }
 
        /* Finally remove the selected key. */
        if (bestkey) {
            db = server.db+bestdbid;
            robj *keyobj = createStringObject(bestkey,sdslen(bestkey));
            propagateExpire(db,keyobj,server.lazyfree_lazy_eviction);
            /* We compute the amount of memory freed by db*Delete() alone.
             * It is possible that actually the memory needed to propagate
             * the DEL in AOF and replication link is greater than the one
             * we are freeing removing the key, but we can't account for
             * that otherwise we would never exit the loop.
             *
             * AOF and Output buffer memory will be freed eventually so
             * we only care about memory used by the key space. */
            delta = (long long) zmalloc_used_memory();
            latencyStartMonitor(eviction_latency);
            if (server.lazyfree_lazy_eviction)
                dbAsyncDelete(db,keyobj);
            else
                dbSyncDelete(db,keyobj);
            latencyEndMonitor(eviction_latency);
            latencyAddSampleIfNeeded("eviction-del",eviction_latency);
            latencyRemoveNestedEvent(latency,eviction_latency);
            delta -= (long long) zmalloc_used_memory();
            mem_freed += delta;
            server.stat_evictedkeys++;
            notifyKeyspaceEvent(NOTIFY_EVICTED, "evicted",
                keyobj, db->id);
            decrRefCount(keyobj);
            keys_freed++;
 
            /* When the memory to free starts to be big enough, we may
             * start spending so much time here that is impossible to
             * deliver data to the slaves fast enough, so we force the
             * transmission here inside the loop. */
            if (slaves) flushSlavesOutputBuffers();
 
            /* Normally our stop condition is the ability to release
             * a fixed, pre-computed amount of memory. However when we
             * are deleting objects in another thread, it's better to
             * check, from time to time, if we already reached our target
             * memory, since the "mem_freed" amount is computed only
             * across the dbAsyncDelete() call, while the thread can
             * release the memory all the time. */
            if (server.lazyfree_lazy_eviction && !(keys_freed % 16)) {
                if (getMaxmemoryState(NULL,NULL,NULL,NULL) == C_OK) {
                    /* Let's satisfy our stop condition. */
                    mem_freed = mem_tofree;
                }
            }
        }
 
        if (!keys_freed) {
            latencyEndMonitor(latency);
            latencyAddSampleIfNeeded("eviction-cycle",latency);
            goto cant_free; /* nothing to free... */
        }
    }
    latencyEndMonitor(latency);
    latencyAddSampleIfNeeded("eviction-cycle",latency);
    return C_OK;
 
cant_free:
    /* We are here if we are not able to reclaim memory. There is only one
     * last thing we can try: check if the lazyfree thread has jobs in queue
     * and wait... */
    while(bioPendingJobsOfType(BIO_LAZY_FREE)) {
        if (((mem_reported - zmalloc_used_memory()) + mem_freed) >= mem_tofree)
            break;
        usleep(1000);
    }
    return C_ERR;
}
 
/* This is a wrapper for freeMemoryIfNeeded() that only really calls the
 * function if right now there are the conditions to do so safely:
 *
 * - There must be no script in timeout condition.
 * - Nor we are loading data right now.
 *
 */
int freeMemoryIfNeededAndSafe(void) {
    if (server.lua_timedout || server.loading) return C_OK;
    return freeMemoryIfNeeded();
}

dawei

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