Redis 篇-深入了解 Redis 中的 RESP 通信协议与内存回收（过期 key 处理、内存淘汰策略）
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文章目录
1.0 Redis 通信协议 - RESP 协议
2.0 Redis 内存回收
2.1 Redis 内存回收 - 过期 key 处理
2.1.1 Redis 是如何知道一个 Key 是否过期呢？
2.1.2 是不是 TTL 到期就立即删除了呢？
2.2 Redis 内存回收 - 内存淘汰策略
2.2.1 Redis 八种不同删除 key 的策略
2.2.2 Redis 内存淘汰的流程图
1.0 Redis 通信协议 - RESP 协议
简单来说，通信协议就是对于发送命令或者接收命令格式的规范。
Redis 是一个 CS 架构的软件，通信一般分两步：
1）客户端向服务端发送一条命令
2）服务端解析并执行命令，返回响应结果给客户端。
1.1 RESP 协议 - 数据类型
在 RESP 中，通过首字节的字符来区分不同数据类型，常用的数据类型包括 5 种：
1）单行字符串：首字节是 "+"，后面跟上单行字符串，以 CRLF("\r\n") 结尾。
举个例子：
比如说要发送命令的格式："+OK\r\n"。但需要注意的是，使用单行字符串发送命令，可能会导致二进制不安全问题发生。
2）错误（Errors）：首字节是 "-"，与单行字符串格式一样，只是字符串是异常信息。
举个例子：
服务端发送错误信息的格式："-Error message\r\n" 。
3）数值：首字节是 ":"，后面跟上数字格式的字符串，以 CRLF 结尾。
举个例子：
给服务端发送数值信息的格式：":10\r\n" 。
4）多行字符串：首字节是 "$"，表示二进制安全的字符串，最大支持 512 MB。
举个例子：
给服务端发送多行字符串的格式："$5\r\nhello\r\n"
需要注意的是：
如果大小为 0，则代表空字符串："$0\r\n\r\n"；
如果大小为 -1，则代表不存在："$-1\r\n"；
5）数组：首字节是 "*"，后面跟上数组元素个数，再跟上元素，元素数据类型不限。
举个例子：
给 Redis 服务端发送 "set name 童童" 的命令的格式：
*3\r\n
$3\r\nset\r\n
$4\r\nname\r\n
$6\r\n童童\r\n
字段解析：
*3\r\n：表示的数组中有三个元素；
$3\r\nset\r\n：数组的第一个元素是多行字符串类型，值为 set ，字节数为 3 个字节；
$4\r\nname\r\n：数组的第二个元素也是多行字符串类型，值为 name ，字节数为 4 个字节；
$6\r\n童童\r\n：数组的第三个元素也是多行字符串类型，值为 童童，字节数为 6 个字节；
2.0 Redis 内存回收
Redis 之所以性能强，最主要的原因就是基于内存存储。然而单节点的 Redis 其内存大小不宜过大，会影响持久化或主从同步性能。
可以通过修改配置文件来设置 Redis 的最大内存：
当内存使用达到上限时，就无法存储更多的数据了。因此，需要采用某些手段来解决内存达到上限的问题。
一般可以通过内存回收来解决：过期 key 处理、内存淘汰机制。
2.1 Redis 内存回收 - 过期 key 处理
通过两个具体的问题来了解过期 Key 处理机制来解决内存不足：
2.1.1 Redis 是如何知道一个 Key 是否过期呢？
Redis 本身是一个典型的 key-value 内存存储数据库，因此所有的 key、value 都保存在 Dict 结构中。不过在 database 结构体中，有两个 Dict：一个用来记录 key-value；另一个用来记录 key-TTL 。
相关源码如下：
解析其中最重要的两个字段：
1）dict *dict：存放所有 key 及 value 的地方，也被称为 keyspace。
2）dict *expires：存放每一个 key 及其对应的 TTL 存活时间，只包含设置 TTL 的 Key 。
相关的结构如下：
所以，回到之前的问题：Redis 是如何知道一个 key 是否过期的？
答案是利用两个 Dict 分别记录 Key-Value 以及 Key-TTL ，通过查询两个 Dict 来判断当前 key 是否过期的。
2.1.2 是不是 TTL 到期就立即删除了呢？
具体来说，Redis 处理过期 key 的方式一般来说有两种：惰性删除、周期删除。
1）对于惰性删除来说：
当你尝试访问一个 key 时，Redis 会检查该 key 是否已经过期。如果过期了，Redis 会将其删除并返回空值。这种方式被称为惰性删除。
相关的源码：
2）对于周期删除来说：
顾名思义，是通过一个定时任务，周期性的抽样部分过期的 key，然后执行删除。执行周期有两种：
第一种：Redis 会设置一个定时任务 serverCron()，按照 server.hz 的频率来执行过期 key 清理，模式为 SLOW 。
SLOW 模式规则：
执行频率受 server.hz 的影响，默认为 10，即每秒执行 10 次，每个执行周期 100ms 。
执行清理耗时不超过一次执行周期的 25% 。
逐个遍历 db，逐个遍历 db 中的 bucket，抽取 20 个 Key 判断是否过期。
如果没达到时间上限（25 ms）并且过期 key 比例大于 10%，再进行一次抽样，否则结束。
第二种：Redis 的每个事件循环前会调用 beforeSlepp() 函数，执行过期 key 清理，模式为 FAST 。
FAST 模式规则：
执行频率受 beforeSleep() 调用频率影响，但两次 FAST 模式间隔不低于 2 ms 。
执行清理耗时不超过 1ms 。
逐个遍历 db，逐个遍历 db 中的 bucket，抽取 20 个 Key 判断是否过期。
如果没达到时间上限（1 ms）并且过期 Key 比例大于 10%，再进行一次抽样，否则结束。
小结：
1）RedisKey 的 TTL 记录方式：
在 RedisDB 中通过一个 Dict 记录每个 key 的 TTL 时间。
2）过期 key 的删除策略：
惰性删除：每次查找 key 是判断是否过期，如果过期则删除；
定期删除：定期抽样部分 key，判断是否过期，如果过期则删除。
3）定期清理的两种模式：
SLOW模式执行频率默认为每秒十次，每次不超过 25 ms 。
FAST 模式执行频率不固定，但两次间隔不低于 2 ms，每次耗时不超过 1 ms 。
2.2 Redis 内存回收 - 内存淘汰策略
内存淘汰就是当 Redis 内存使用达到设置的阈值时，Redis 主动挑选部分 Key 删除从而来释放更多内存的流程。
Redis 会在处理客户端命令的方法之前，先执行 processCommand() 中尝试做内存淘汰。
相关的源码：
2.2.1 Redis 八种不同删除 key 的策略
在配置文件中进行配置不同删除 key 的策略：
Redis 支持 8 种不同策略来选择要删除的 key：
1）noeviction：不淘汰任何 key，但是内存满时不允许写入新数据，默认就是这种策略。
2）volatile-ttl：对设置了 TTL 的 key，比较 key 的剩余 TTL 值，TTL 越小越先被淘汰。
3）allkeys-random：对全体 key，随机进行淘汰。也就是直接从 db->dict 中随机挑选。
4）volatile-random：对设置了 TTL 的 key，随机进行淘汰。也就是从 db->expires 中随机挑选。
5）allkeys-lru：对全体 key，基于 LRU 算法进行淘汰。
6）volatile-lru：对设置了 TTL 的 key，基于 LRU 算法进行淘汰。
7）allkeys-lfu：对全体 key，基于 LFU 算法进行淘汰。
8）volatile-lfu：对设置了 TTL 的 key，基于 LFU 算法进行淘汰。
LRU 算法：
最少最近使用，用当前时间减去最后一次访问的时间，这个值越大则淘汰优先级越高。以秒为单位记录最近一次访问的时间，长度为 24 bit 。
LFU 算法：
最少频率使用，会统计每个 key 的访问频率，值越小淘汰优先级越高。高 16 位以分钟为单位记录最近一次访问时间，低 8 位记录逻辑访问次数。
2.2.2 Redis 内存淘汰的流程图
具体流程分析：
在执行客户端发送过来的命令之前，先判断当前内存是否充足，如果内存还是很充足，那么不需要去执行删除 key 的操作。
如果当前内存不充足时，继续判断内存策略是否为默认 noeviction 策略，也就是即使内存满了，也不会执行删除 key 的操作，会发出错误信息。
假设不是默认策略，接着继续判断是从 dict 字典还是从 entries 字典中删除 key，该两者的区别就是有无设置 TTL。
再紧接着，选择删除策略，假设选择了 random 策略，也就是随机选择 key 来删除。删除完之后，再判断内存是否充足，如果还是不足，那么会接着循环来删除 key，如果达到充足的内存，则直接退出删除 key 的操作。
若选择的删除策略为：TTL、LRU、LFU 这些策略，先创建一个池，用来存放准备删除的 key，在 Redis 数据库中从 0 直到 15 的数据库进行遍历抽样选择要放入池中的 key，默认每次抽样 5 个 key。
再接下来，根据具体选择的策略来进行将抽样 5 个 key 放入池中，每一个放入池中的 key 都以升序的方式进行排序。
最后，将池中要确定删除的 key 进行删除，循环往复，直到内存充足为止。
