Redis内存回收:LRU算法
Redis:https://github.com/zwjlpeng/Redis_Deep_Read
Redis中采用两种算法进行内存回收，引用计数算法以及LRU算法，在操作系统内存管理一节中，我们都学习过LRU算法(最近最久未使用算法),那么什么是LRU算法呢
LRU算法作为内存管理的一种有效算法,其含义是在内存有限的情况下，当内存容量不足时，为了保证程序的运行，这时就不得不淘汰内存中的一些对象，释放这些对象占用的空间，那么选择淘汰哪些对象呢？LRU算法就提供了一种策略，告诉我们选择最近一段时间内，最久未使用的对象将其淘汰，至于为什么要选择最久未使用的，可以想想，最近一段时间内使用的东西，我们是不是可能一会又要用到呢~，而很长一段时间内都没有使用过的东西，也许永远都不会再使用~
在操作系统中LRU算法淘汰的不是内存中的对象，而是页,当内存中数据不足时，通过LRU算法，选择一页(一般是4KB)将其交换到虚拟内存区(Swap区)
LRU算法演示
这张图应该画的还行吧，用的是www.draw.io,解释如下，假设前提，只有三块内存空间可以使用，每一块内存空间只能存放一个对象，如A、B、C...
1、最开始时，内存空间是空的，因此依次进入A、B、C是没有问题的
2、当加入D时，就出现了问题，内存空间不够了，因此根据LRU算法，内存空间中A待的时间最为久远，选择A,将其淘汰
3、当再次引用B时，内存空间中的B又处于活跃状态，而C则变成了内存空间中，近段时间最久未使用的
4、当再次向内存空间加入E时，这时内存空间又不足了，选择在内存空间中待的最久的C将其淘汰出内存，这时的内存空间存放的对象就是E->B->D
LRU算法的整体思路就是这样的
算法实现应该采用怎样的数据结构
队列？那不就是FIFO算法嘛~，LRU算法最为精典的实现，就是HashMap+Double LinkedList，时间复杂度为O(1),具体可以参考相关代码
REDIS中LRU算法的实际应用,在Redis 1.0中并未引入LRU算法，只是简单的使用引用计数法，去掉内存中不再引用的对象以及运行一个定时任务serverCron去掉内存中已经过期的对象占用的内存空间,以下是Redis 1.0中CT任务的释放内存中的部份代码
//去掉一些过期的KEYS for (j = 0; j < server.dbnum; j++) { redisDb *db = server.db+j; int num = dictSize(db->expires);//计算hash表中过期Key的数目 if (num) { time_t now = time(NULL); //#define REDIS_EXPIRELOOKUPS_PER_CRON 100 if (num > REDIS_EXPIRELOOKUPS_PER_CRON) num = REDIS_EXPIRELOOKUPS_PER_CRON; //循环100次，从过期Hash表中随机挑选出100个Key,判断Key是否过期，如果过期了，执行删除操作 while (num--) { dictEntry *de; time_t t; //随机获取Key值(db->expires里面存储的均是即将过期的Keys) if ((de = dictGetRandomKey(db->expires)) == NULL) break; t = (time_t) dictGetEntryVal(de); if (now > t) { //不仅要从存放过期keys的Hash表中删除数据，还要从存放实际数据的Hash表中删除数据 deleteKey(db,dictGetEntryKey(de)); } } } }如果没有看过Redis 1.0源码，理解起来可能有些困难，但看看1.0源码中的这个结构体，估计有点数据结构基础的人，都明白上面这几行代码的意思了(注释部份我也已经写的很清楚了)~
typedef struct redisDb { dict *dict;//用来存放实际Key->Value数据的位置 dict *expires;//用于记录Key的过期时间 int id;//表示选择的是第几个redis库 } redisDb;没有查证是从什么版本开始，Redis增加了LRU算法，以下是分析Redis 2.9.11代码中的LRU算法淘汰策略，在2.9.11版本中与LRU算法相关的代码主要位于object.c以及redis.c两个源文件中, 再分析这两个文件关于LRU源代码之前，让我们先看一下，Redis 2.9.11版本中关于LRU算法的配置,配置文件在redis.conf文件中,如下所示
# maxmemory <bytes> # MAXMEMORY POLICY: how Redis will select what to remove when maxmemory # is reached. You can select among five behaviors: # # volatile-lru -> remove the key with an expire set using an LRU algorithm # allkeys-lru -> remove any key accordingly to the LRU algorithm # volatile-random -> remove a random key with an expire set # allkeys-random -> remove a random key, any key # volatile-ttl -> remove the key with the nearest expire time (minor TTL) # noeviction -> don't expire at all, just return an error on write operations # # Note: with any of the above policies, Redis will return an error on write # operations, when there are not suitable keys for eviction. # # At the date of writing this commands are: set setnx setex append # incr decr rpush lpush rpushx lpushx linsert lset rpoplpush sadd # sinter sinterstore sunion sunionstore sdiff sdiffstore zadd zincrby # zunionstore zinterstore hset hsetnx hmset hincrby incrby decrby # getset mset msetnx exec sort # # The default is: # # maxmemory-policy noeviction # LRU and minimal TTL algorithms are not precise algorithms but approximated # algorithms (in order to save memory), so you can tune it for speed or # accuracy. For default Redis will check five keys and pick the one that was # used less recently, you can change the sample size using the following # configuration directive. # # The default of 5 produces good enough results. 10 Approximates very closely # true LRU but costs a bit more CPU. 3 is very fast but not very accurate. # # maxmemory-samples 5
从上面的配置中，可以看出,高版本的Redis中当内存达到极限时，内存淘汰策略主要采用了6种方式进行内存对象的释放操作
1.volatile-lru:从设置了过期时间的数据集中，选择最近最久未使用的数据释放
2.allkeys-lru:从数据集中(包括设置过期时间以及未设置过期时间的数据集中)，选择最近最久未使用的数据释放
3.volatile-random:从设置了过期时间的数据集中，随机选择一个数据进行释放
4.allkeys-random:从数据集中(包括了设置过期时间以及未设置过期时间)随机选择一个数据进行入释放
5.volatile-ttl：从设置了过期时间的数据集中，选择马上就要过期的数据进行释放操作
6.noeviction：不删除任意数据(但redis还会根据引用计数器进行释放呦~),这时如果内存不够时，会直接返回错误
默认的内存策略是noeviction，在Redis中LRU算法是一个近似算法，默认情况下，Redis随机挑选5个键，并且从中选取一个最近最久未使用的key进行淘汰，在配置文件中可以通过maxmemory-samples的值来设置redis需要检查key的个数,但是栓查的越多，耗费的时间也就越久,但是结构越精确(也就是Redis从内存中淘汰的对象未使用的时间也就越久~),设置多少，综合权衡吧~~~
在redis.h中声明的redisObj定义的如下:
#define REDIS_LRU_BITS 24 #define REDIS_LRU_CLOCK_MAX ((1<<REDIS_LRU_BITS)-1) /* Max value of obj->lru */ #define REDIS_LRU_CLOCK_RESOLUTION 1000 /* LRU clock resolution in ms */ typedef struct redisObject { //存放的对象类型 unsigned type:4; //内容编码 unsigned encoding:4; //与server.lruclock的时间差值 unsigned lru:REDIS_LRU_BITS; /* lru time (relative to server.lruclock) */\ //引用计数算法使用的引用计数器 int refcount; //数据指针 void *ptr; } robj;从redisObject结构体的定义中可以看出，在Redis中存放的对象不仅会有一个引用计数器，还会存在一个server.lruclock,这个变量会在定时器中每次刷新时，调用getLRUClock获取当前系统的毫秒数，作为LRU时钟数,该计数器总共占用24位,最大可以表示的值为24个1即((1<<REDIS_LRU_BITS) - 1)=2^24 - 1,单位是毫秒，你可以算一下这么多毫秒，可以表示多少年~~
server.lruclock在redis.c中运行的定时器中进行更新操作,代码如下(redis.c中的定时器被配置中100ms执行一次)
int serverCron(struct aeEventLoop *eventLoop, long long id, void *clientData) { ..... run_with_period(100) trackOperationsPerSecond(); /* We have just REDIS_LRU_BITS bits per object for LRU information. * So we use an (eventually wrapping) LRU clock. * * Note that even if the counter wraps it's not a big problem, * everything will still work but some object will appear younger * to Redis. However for this to happen a given object should never be * touched for all the time needed to the counter to wrap, which is * not likely. * * Note that you can change the resolution altering the * REDIS_LRU_CLOCK_RESOLUTION define. */ server.lruclock = getLRUClock(); .... return 1000/server.hz; }看到这，再看看Redis中创建对象时，如何对redisObj中的unsigned lru进行赋值操作的，代码位于object.c中,如下所示
robj *createObject(int type, void *ptr) { robj *o = zmalloc(sizeof(*o)); o->type = type; o->encoding = REDIS_ENCODING_RAW; o->ptr = ptr; o->refcount = 1; //很关键的一步，Redis中创建的每一个对象，都记录下该对象的LRU时钟 /* Set the LRU to the current lruclock (minutes resolution). */ o->lru = LRU_CLOCK(); return o; }该代码中最为关键的一句就是o->lru=LRU_CLOCK(),这是一个定义，看一下这个宏定义的实现,代码如下所示
#define LRU_CLOCK() ((1000/server.hz <= REDIS_LRU_CLOCK_RESOLUTION) ? server.lruclock : getLRUClock())
其中REDIS_LRU_CLOCK_RESOLUTION为1000,可以自已在配置文件中进行配置，表示的是LRU算法的精度,在这里我们就可以看到server.lruclock的用处了，如果定时器执行的频率高于LRU算法的精度时，可以直接将server.lruclock直接在对象创建时赋值过去，避免了函数调用的内存开销以及时间开销~
有了上述的基础，下面就是最为关键的部份了，REDIS中LRU算法，这里以volatile-lru为例(选择有过期时间的数据集进行淘汰)，在Redis中命令的处理时，会调用processCommand函数，在ProcessCommand函数中，当在配置文件中配置了maxmemory时，会调用freeMemoryIfNeeded函数，释放不用的内存空间
以下是freeMemoryIfNeeded函数的关于LRU相关部份的源代码，其他代码类似
//不同的策略，操作的数据集不同 if (server.maxmemory_policy == REDIS_MAXMEMORY_ALLKEYS_LRU || server.maxmemory_policy == REDIS_MAXMEMORY_ALLKEYS_RANDOM) { dict = server.db[j].dict; } else {//操作的是设置了过期时间的key集 dict = server.db[j].expires; } if (dictSize(dict) == 0) continue; /* volatile-random and allkeys-random policy */ //随机选择进行淘汰 if (server.maxmemory_policy == REDIS_MAXMEMORY_ALLKEYS_RANDOM || server.maxmemory_policy == REDIS_MAXMEMORY_VOLATILE_RANDOM) { de = dictGetRandomKey(dict); bestkey = dictGetKey(de); } /* volatile-lru and allkeys-lru policy */ //具体的LRU算法 else if (server.maxmemory_policy == REDIS_MAXMEMORY_ALLKEYS_LRU || server.maxmemory_policy == REDIS_MAXMEMORY_VOLATILE_LRU) { struct evictionPoolEntry *pool = db->eviction_pool; while(bestkey == NULL) { //选择随机样式，并从样本中作用LRU算法选择需要淘汰的数据 evictionPoolPopulate(dict, db->dict, db->eviction_pool); /* Go backward from best to worst element to evict. */ for (k = REDIS_EVICTION_POOL_SIZE-1; k >= 0; k--) { if (pool[k].key == NULL) continue; de = dictFind(dict,pool[k].key); sdsfree(pool[k].key); //将pool+k+1之后的元素向前平移一个单位 memmove(pool+k,pool+k+1, sizeof(pool[0])*(REDIS_EVICTION_POOL_SIZE-k-1)); /* Clear the element on the right which is empty * since we shifted one position to the left. */ pool[REDIS_EVICTION_POOL_SIZE-1].key = NULL; pool[REDIS_EVICTION_POOL_SIZE-1].idle = 0; //选择了需要淘汰的数据 if (de) { bestkey = dictGetKey(de); break; } else { /* Ghost... */ continue; } } } }看了上面的代码，也许你还在奇怪，说好的，LRU算法去哪去了呢，再看看这个函数evictionPoolPopulate的实现吧
#define EVICTION_SAMPLES_ARRAY_SIZE 16 void evictionPoolPopulate(dict *sampledict, dict *keydict, struct evictionPoolEntry *pool) { int j, k, count; //EVICTION_SAMPLES_ARRAY_SIZE最大样本数，默认16 dictEntry *_samples[EVICTION_SAMPLES_ARRAY_SIZE]; dictEntry **samples; //如果我们在配置文件中配置的samples小于16，则直接使用EVICTION_SAMPLES_ARRAY_SIZE if (server.maxmemory_samples <= EVICTION_SAMPLES_ARRAY_SIZE) { samples = _samples; } else { samples = zmalloc(sizeof(samples[0])*server.maxmemory_samples); } #if 1 /* Use bulk get by default. */ //从样本集中随机获取server.maxmemory_samples个数据，存放在 count = dictGetRandomKeys(sampledict,samples,server.maxmemory_samples); #else count = server.maxmemory_samples; for (j = 0; j < count; j++) samples[j] = dictGetRandomKey(sampledict); #endif for (j = 0; j < count; j++) { unsigned long long idle; sds key; robj *o; dictEntry *de; de = samples[j]; key = dictGetKey(de); if (sampledict != keydict) de = dictFind(keydict, key); o = dictGetVal(de); //计算LRU时间 idle = estimateObjectIdleTime(o); k = 0; //选择de在pool中的正确位置,按升序进行排序,升序的依据是其idle时间 while (k < REDIS_EVICTION_POOL_SIZE && pool[k].key && pool[k].idle < idle) k++; if (k == 0 && pool[REDIS_EVICTION_POOL_SIZE-1].key != NULL) { /* Can't insert if the element is < the worst element we have * and there are no empty buckets. */ continue; } else if (k < REDIS_EVICTION_POOL_SIZE && pool[k].key == NULL) { /* Inserting into empty position. No setup needed before insert. */ } else { //移动元素，memmove,还有空间可以插入新元素 if (pool[REDIS_EVICTION_POOL_SIZE-1].key == NULL) { memmove(pool+k+1,pool+k, sizeof(pool[0])*(REDIS_EVICTION_POOL_SIZE-k-1)); } else {//已经没有空间插入新元素时，将第一个元素删除 /* No free space on right? Insert at k-1 */ k--; /* Shift all elements on the left of k (included) to the * left, so we discard the element with smaller idle time. */ //以下操作突出了第K个位置 sdsfree(pool[0].key); memmove(pool,pool+1,sizeof(pool[0])*k); } } //在第K个位置插入 pool[k].key = sdsdup(key); pool[k].idle = idle; } //执行到此之后，pool中存放的就是按idle time升序排序 if (samples != _samples) zfree(samples); }看了上面的代码，LRU时钟的计算并没有包括在内，那么在看一下LRU算法的时钟计算代码吧,LRU时钟计算代码在object.c中的estimateObjectIdleTime这个函数中，代码如下~~
//精略估计LRU时间 unsigned long long estimateObjectIdleTime(robj *o) { unsigned long long lruclock = LRU_CLOCK(); if (lruclock >= o->lru) { return (lruclock - o->lru) * REDIS_LRU_CLOCK_RESOLUTION; } else {//这种情况一般不会发生，发生时证明redis中键的保存时间已经wrap了 return (lruclock + (REDIS_LRU_CLOCK_MAX - o->lru)) * REDIS_LRU_CLOCK_RESOLUTION; } }好了，先到此吧~~~
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