深入剖析 redis 数据淘汰策略
jopen
10年前
概述
在 redis 中，允许用户设置最大使用内存大小 server.maxmemory，在内存限定的情况下是很有用的。譬如，在一台 8G 机子上部署了 4 个 redis 服务点，每一个服务点分配 1.5G 的内存大小，减少内存紧张的情况，由此获取更为稳健的服务。
redis 内存数据集大小上升到一定大小的时候，就会施行数据淘汰策略。redis 提供 6种数据淘汰策略：
- volatile-lru：从已设置过期时间的数据集（server.db[i].expires）中挑选最近最少使用的数据淘汰
- volatile-ttl：从已设置过期时间的数据集（server.db[i].expires）中挑选将要过期的数据淘汰
- volatile-random：从已设置过期时间的数据集（server.db[i].expires）中任意选择数据淘汰
- allkeys-lru：从数据集（server.db[i].dict）中挑选最近最少使用的数据淘汰
- allkeys-random：从数据集（server.db[i].dict）中任意选择数据淘汰
- no-enviction（驱逐）：禁止驱逐数据
redis 确定驱逐某个键值对后，会删除这个数据并，并将这个数据变更消息发布到本地（AOF 持久化）和从机（主从连接）。
LRU 数据淘汰机制
在服务器配置中保存了 lru 计数器 server.lrulock，会定时（redis 定时程序 serverCorn()）更新，server.lrulock 的值是根据 server.unixtime 计算出来的。
另外，从 struct redisObject 中可以发现，每一个 redis 对象都会设置相应的 lru。可以想象的是，每一次访问数据的时候，会更新 redisObject.lru。
LRU 数据淘汰机制是这样的：在数据集中随机挑选几个键值对，取出其中 lru 最大的键值对淘汰。所以，你会发现，redis 并不是保证取得所有数据集中最近最少使用（LRU）的键值对，而只是随机挑选的几个键值对中的。
// redisServer 保存了 lru 计数器 struct redisServer { ... unsigned lruclock:22; /* Clock incrementing every minute, for LRU */ ... }; // 每一个 redis 对象都保存了 lru #define REDIS_LRU_CLOCK_MAX ((1<<21)-1) /* Max value of obj->lru */ #define REDIS_LRU_CLOCK_RESOLUTION 10 /* LRU clock resolution in seconds */ typedef struct redisObject { // 刚刚好 32 bits // 对象的类型，字符串/列表/集合/哈希表 unsigned type:4; // 未使用的两个位 unsigned notused:2; /* Not used */ // 编码的方式，redis 为了节省空间，提供多种方式来保存一个数据 // 譬如：“123456789” 会被存储为整数 123456789 unsigned encoding:4; unsigned lru:22; /* lru time (relative to server.lruclock) */ // 引用数 int refcount; // 数据指针 void *ptr; } robj; // redis 定时执行程序。联想：linux cron int serverCron(struct aeEventLoop *eventLoop, long long id, void *clientData) { ...... /* We have just 22 bits per object for LRU information. * So we use an (eventually wrapping) LRU clock with 10 seconds resolution. * 2^22 bits with 10 seconds resolution is more or less 1.5 years. * * Note that even if this will wrap after 1.5 years it's not a problem, * everything will still work but just some object will appear younger * to Redis. But for this to happen a given object should never be touched * for 1.5 years. * * Note that you can change the resolution altering the * REDIS_LRU_CLOCK_RESOLUTION define. */ updateLRUClock(); ...... } // 更新服务器的 lru 计数器 void updateLRUClock(void) { server.lruclock = (server.unixtime/REDIS_LRU_CLOCK_RESOLUTION) & REDIS_LRU_CLOCK_MAX; } TTL 数据淘汰机制
redis 数据集数据结构中保存了键值对过期时间的表，即 redisDb.expires。和 LRU 数据淘汰机制类似，TTL 数据淘汰机制是这样的：从过期时间的表中随机挑选几个键值对，取出其中 ttl 最大的键值对淘汰。同样你会发现，redis 并不是保证取得所有过期时间的表中最快过期的键值对，而只是随机挑选的几个键值对中的。
总结
redis 每服务客户端执行一个命令的时候，会检测使用的内存是否超额。如果超额，即进行数据淘汰。
// 执行命令 int processCommand(redisClient *c) { ...... // 内存超额 /* Handle the maxmemory directive. * * First we try to free some memory if possible (if there are volatile * keys in the dataset). If there are not the only thing we can do * is returning an error. */ if (server.maxmemory) { int retval = freeMemoryIfNeeded(); if ((c->cmd->flags & REDIS_CMD_DENYOOM) && retval == REDIS_ERR) { flagTransaction(c); addReply(c, shared.oomerr); return REDIS_OK; } } ...... } // 如果需要，是否一些内存 int freeMemoryIfNeeded(void) { size_t mem_used, mem_tofree, mem_freed; int slaves = listLength(server.slaves); // redis 从机回复空间和 AOF 内存大小不计算入 redis 内存大小 /* Remove the size of slaves output buffers and AOF buffer from the * count of used memory. */ mem_used = zmalloc_used_memory(); // 从机回复空间大小 if (slaves) { listIter li; listNode *ln; listRewind(server.slaves,&li); while((ln = listNext(&li))) { redisClient *slave = listNodeValue(ln); unsigned long obuf_bytes = getClientOutputBufferMemoryUsage(slave); if (obuf_bytes > mem_used) mem_used = 0; else mem_used -= obuf_bytes; } } // server.aof_buf && server.aof_rewrite_buf_blocks if (server.aof_state != REDIS_AOF_OFF) { mem_used -= sdslen(server.aof_buf); mem_used -= aofRewriteBufferSize(); } // 内存是否超过设置大小 /* Check if we are over the memory limit. */ if (mem_used <= server.maxmemory) return REDIS_OK; // redis 中可以设置内存超额策略 if (server.maxmemory_policy == REDIS_MAXMEMORY_NO_EVICTION) return REDIS_ERR; /* We need to free memory, but policy forbids. */ /* Compute how much memory we need to free. */ mem_tofree = mem_used - server.maxmemory; mem_freed = 0; while (mem_freed < mem_tofree) { int j, k, keys_freed = 0; // 遍历所有数据集 for (j = 0; j < server.dbnum; j++) { long bestval = 0; /* just to prevent warning */ sds bestkey = NULL; struct dictEntry *de; redisDb *db = server.db+j; dict *dict; // 不同的策略，选择的数据集不一样 if (server.maxmemory_policy == REDIS_MAXMEMORY_ALLKEYS_LRU || server.maxmemory_policy == REDIS_MAXMEMORY_ALLKEYS_RANDOM) { dict = server.db[j].dict; } else { dict = server.db[j].expires; } // 数据集为空，继续下一个数据集 if (dictSize(dict) == 0) continue; // 随机淘汰随机策略：随机挑选 /* volatile-random and allkeys-random policy */ if (server.maxmemory_policy == REDIS_MAXMEMORY_ALLKEYS_RANDOM || server.maxmemory_policy == REDIS_MAXMEMORY_VOLATILE_RANDOM) { de = dictGetRandomKey(dict); bestkey = dictGetKey(de); } // LRU 策略：挑选最近最少使用的数据 /* volatile-lru and allkeys-lru policy */ else if (server.maxmemory_policy == REDIS_MAXMEMORY_ALLKEYS_LRU || server.maxmemory_policy == REDIS_MAXMEMORY_VOLATILE_LRU) { // server.maxmemory_samples 为随机挑选键值对次数 // 随机挑选 server.maxmemory_samples个键值对，驱逐最近最少使用的数据 for (k = 0; k < server.maxmemory_samples; k++) { sds thiskey; long thisval; robj *o; // 随机挑选键值对 de = dictGetRandomKey(dict); // 获取键 thiskey = dictGetKey(de); /* When policy is volatile-lru we need an additional lookup * to locate the real key, as dict is set to db->expires. */ if (server.maxmemory_policy == REDIS_MAXMEMORY_VOLATILE_LRU) de = dictFind(db->dict, thiskey); o = dictGetVal(de); // 计算数据的空闲时间 thisval = estimateObjectIdleTime(o); // 当前键值空闲时间更长，则记录 /* Higher idle time is better candidate for deletion */ if (bestkey == NULL || thisval > bestval) { bestkey = thiskey; bestval = thisval; } } } // TTL 策略：挑选将要过期的数据 /* volatile-ttl */ else if (server.maxmemory_policy == REDIS_MAXMEMORY_VOLATILE_TTL) { // server.maxmemory_samples 为随机挑选键值对次数 // 随机挑选 server.maxmemory_samples个键值对，驱逐最快要过期的数据 for (k = 0; k < server.maxmemory_samples; k++) { sds thiskey; long thisval; de = dictGetRandomKey(dict); thiskey = dictGetKey(de); thisval = (long) dictGetVal(de); /* Expire sooner (minor expire unix timestamp) is better * candidate for deletion */ if (bestkey == NULL || thisval < bestval) { bestkey = thiskey; bestval = thisval; } } } // 删除选定的键值对 /* Finally remove the selected key. */ if (bestkey) { long long delta; robj *keyobj = createStringObject(bestkey,sdslen(bestkey)); // 发布数据更新消息，主要是 AOF 持久化和从机 propagateExpire(db,keyobj); // 注意， propagateExpire() 可能会导致内存的分配， propagateExpire() 提前执行就是因为 redis 只计算 dbDelete() 释放的内存大小。倘若同时计算 dbDelete() 释放的内存和 propagateExpire() 分配空间的大小，与此同时假设分配空间大于释放空间，就有可能永远退不出这个循环。 // 下面的代码会同时计算 dbDelete() 释放的内存和 propagateExpire() 分配空间的大小： // propagateExpire(db,keyobj); // delta = (long long) zmalloc_used_memory(); // dbDelete(db,keyobj); // delta -= (long long) zmalloc_used_memory(); // mem_freed += delta; ///////////////////////////////////////// /* We compute the amount of memory freed by dbDelete() 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. */ // 只计算 dbDelete() 释放内存的大小 delta = (long long) zmalloc_used_memory(); dbDelete(db,keyobj); delta -= (long long) zmalloc_used_memory(); mem_freed += delta; server.stat_evictedkeys++; // 将数据的删除通知所有的订阅客户端 notifyKeyspaceEvent(REDIS_NOTIFY_EVICTED, "evicted", keyobj, db->id); decrRefCount(keyobj); keys_freed++; // 将从机回复空间中的数据及时发送给从机 /* 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(); } } // 未能释放空间，且此时 redis 使用的内存大小依旧超额，失败返回 if (!keys_freed) return REDIS_ERR; /* nothing to free... */ } return REDIS_OK; }
捣乱 2014-5-27