Redis 过期键（expires）机制详解

引言

Redis 是一个高性能的键值存储系统，广泛应用于缓存、会话存储、消息队列等场景。为了有效管理内存资源，Redis 提供了键过期功能，允许为键设置生存时间（TTL），当键过期后，Redis 会自动将其删除。本文将深入探讨 Redis 的过期键（expires）机制，包括过期键的存储、删除策略以及相关的工作流程。

1. Redis 过期键的基本概念

1.1 什么是过期键？

在 Redis 中，过期键是指设置了生存时间（TTL）的键。当键的生存时间到期后，Redis 会将其从数据库中删除。过期键的机制使得 Redis 可以自动清理不再需要的数据，从而节省内存资源。

1.2 如何设置过期时间？

Redis 提供了以下命令来设置键的过期时间：

• EXPIRE key seconds：为键设置过期时间，单位为秒。
• PEXPIRE key milliseconds：为键设置过期时间，单位为毫秒。
• EXPIREAT key timestamp：为键设置过期时间，使用 UNIX 时间戳（秒）。
• PEXPIREAT key timestamp：为键设置过期时间，使用 UNIX 时间戳（毫秒）。

例如，以下命令将键 mykey 的过期时间设置为 60 秒：

EXPIRE mykey 60

1.3 如何查看键的剩余生存时间？

可以使用以下命令查看键的剩余生存时间：

• TTL key：返回键的剩余生存时间，单位为秒。
• PTTL key：返回键的剩余生存时间，单位为毫秒。

如果键没有设置过期时间，命令返回 -1；如果键不存在，命令返回 -2。

2. 过期键的存储

Redis 使用一个名为 expires 的字典来存储键的过期时间。expires 字典的键是数据库中的键，值是对应的过期时间（以毫秒为单位的 UNIX 时间戳）。

例如，假设我们有一个键 mykey，其过期时间设置为 60 秒，那么在 expires 字典中会有一个条目：

mykey -> 1672502400000  # 假设 1672502400000 是当前时间加上 60 秒后的 UNIX 时间戳

3. 过期键的删除策略

Redis 采用两种策略来删除过期键：

3.1 惰性删除（Lazy Expiration）

惰性删除是指当客户端尝试访问一个键时，Redis 会检查该键是否已过期。如果过期，则删除该键并返回空值。

优点：

• 只有在访问时才会进行删除操作，减少了不必要的 CPU 开销。
• 对于不常访问的键，不会立即删除，避免了频繁的内存回收操作。

缺点：

• 如果大量过期键长时间未被访问，会导致内存浪费。
• 对于频繁访问的键，惰性删除的效果较好，但对于不常访问的键，可能会导致内存泄漏。

3.2 定期删除（Periodic Expiration）

定期删除是指 Redis 会定期随机检查一部分键，删除其中已过期的键。定期删除的频率和每次检查的键数量可以通过配置文件进行调整。

优点：

• 可以在一定程度上减少内存浪费，避免大量过期键占用内存。
• 通过调整检查频率和每次检查的键数量，可以平衡 CPU 开销和内存回收效率。

缺点：

• 会增加 CPU 的开销，尤其是在检查大量键时。
• 如果检查频率过低，可能会导致过期键长时间未被删除。

3.3 定期删除的工作流程

1. 随机采样：Redis 会从 expires 字典中随机抽取一定数量的键（默认每次检查 20 个键）。
2. 检查过期时间：对于每个抽样的键，Redis 会检查其过期时间是否小于当前时间。
3. 删除过期键：如果键已过期，则将其从数据库和 expires 字典中删除。
4. 循环检查：如果在上一次检查中发现有过期键被删除，Redis 会继续检查下一批键，直到没有过期键被删除或达到最大检查次数。

4. 过期键的持久化

Redis 提供了两种持久化方式：RDB 和 AOF。过期键在持久化时的处理方式有所不同。

4.1 RDB 持久化

在 RDB 持久化过程中，Redis 会生成一个快照文件（.rdb）。在生成快照时，Redis 会检查键是否已过期，如果过期则不会将其写入快照文件。

优点：

• 生成的快照文件不包含过期键，减少了文件大小。
• 在恢复数据时，不会加载过期键，节省内存。

缺点：

• 如果 Redis 在生成快照后崩溃，可能会导致部分过期键未被删除。

4.2 AOF 持久化

在 AOF 持久化过程中，Redis 会将每个写操作追加到 AOF 文件中。对于过期键，Redis 会在 AOF 文件中记录一个 DEL 命令，表示该键已被删除。

优点：

• AOF 文件记录了所有写操作，包括过期键的删除操作，保证了数据的完整性。
• 在恢复数据时，Redis 会重新执行 AOF 文件中的命令，确保过期键被正确删除。

缺点：

• AOF 文件可能会变得非常大，尤其是在有大量过期键的情况下。

5. 过期键的优化

为了减少过期键对 Redis 性能的影响，Redis 采用了一些优化措施：

1. 渐进式删除：在删除大量键时，Redis 会将删除操作分散到多个事件循环中执行，避免一次性删除过多键导致系统卡顿。
2. 异步删除：对于大键（如包含大量元素的列表、集合等），Redis 会采用异步删除的方式，将删除操作放到后台线程中执行，避免阻塞主线程。

6. 总结

Redis 的过期键机制是保证系统高效运行的重要组成部分。通过惰性删除和定期删除策略，Redis 能够有效地管理过期键，避免内存浪费。理解 Redis 的过期键机制，有助于我们更好地配置和优化 Redis，以满足不同应用场景的需求。

参考文献

• Redis 官方文档
• 《Redis 设计与实现》—— 黄健宏

希望本文能帮助你更好地理解 Redis 的过期键机制。如果你有任何问题或建议，欢迎在评论区留言讨论。