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learn.lianglianglee.com/专栏/Redis 核心原理与实战/23 内存淘汰机制与算法.md.html
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<div class="book-post">
<p id="tip" align="center"></p>
<div><h1>23 内存淘汰机制与算法</h1>
<p>在本文开始之前，我们先要明白：在 Redis 中，过期策略和内存淘汰策略两个完全不同的概念，但很多人会把两者搞混。</p>
<p>首先，Redis 过期策略指的是 Redis 使用那种策略，来删除已经过期的键值对；而 Redis 内存淘汰机制指的是，当 Redis 运行内存已经超过 Redis 设置的最大内存之后，将采用什么策略来删除符合条件的键值对，以此来保障 Redis 高效的运行。</p>
<p>过期策略前面的文章，我们已经详细地讲过了，本文我们重点来看 Redis 的内存淘汰机制。</p>
<h3>Redis 最大运行内存</h3>
<p>只有在 Redis 的运行内存达到了某个阀值，才会触发内存淘汰机制，这个阀值就是我们设置的最大运行内存，此值在 Redis 的配置文件中可以找到，配置项为 maxmemory。</p>
<p>内存淘汰执行流程，如下图所示：</p>
<p><img src="assets/b9ab9e10-6900-11ea-95ab-8f8eaf73a78b" alt="img" /></p>
<h4><strong>查询最大运行内存</strong></h4>
<p>我们可以使用命令 <code>config get maxmemory</code> 来查看设置的最大运行内存，命令如下：</p>
<pre><code class="language-shell">127.0.0.1:6379&gt; config get maxmemory
1) &quot;maxmemory&quot;
2) &quot;0&quot;
</code></pre>
<p>我们发现此值竟然是 0，这是 64 位操作系统默认的值，当 maxmemory 为 0 时，表示没有内存大小限制。</p>
<blockquote>
<p>小贴士：32 位操作系统，默认的最大内存值是 3GB。</p>
</blockquote>
<h3>内存淘汰策略</h3>
<h4><strong>查看 Redis 内存淘汰策略</strong></h4>
<p>我们可以使用 <code>config get maxmemory-policy</code> 命令，来查看当前 Redis 的内存淘汰策略，命令如下：</p>
<pre><code class="language-shell">127.0.0.1:6379&gt; config get maxmemory-policy
1) &quot;maxmemory-policy&quot;
2) &quot;noeviction&quot;
</code></pre>
<p>可以看出此 Redis 使用的是 noeviction 类型的内存淘汰机制，它表示当运行内存超过最大设置内存时，不淘汰任何数据，但新增操作会报错。</p>
<h4><strong>内存淘汰策略分类</strong></h4>
<p>早期版本的 Redis 有以下 6 种淘汰策略：</p>
<ol>
<li><strong>noeviction</strong>：不淘汰任何数据，当内存不足时，新增操作会报错，Redis 默认内存淘汰策略；</li>
<li><strong>allkeys-lru</strong>：淘汰整个键值中最久未使用的键值；</li>
<li><strong>allkeys-random</strong>：随机淘汰任意键值;</li>
<li><strong>volatile-lru</strong>：淘汰所有设置了过期时间的键值中最久未使用的键值；</li>
<li><strong>volatile-random</strong>：随机淘汰设置了过期时间的任意键值；</li>
<li><strong>volatile-ttl</strong>：优先淘汰更早过期的键值。</li>
</ol>
<p>在 Redis 4.0 版本中又新增了 2 种淘汰策略：</p>
<ol>
<li><strong>volatile-lfu</strong>：淘汰所有设置了过期时间的键值中，最少使用的键值；</li>
<li><strong>allkeys-lfu</strong>：淘汰整个键值中最少使用的键值。</li>
</ol>
<p>其中 allkeys-xxx 表示从所有的键值中淘汰数据，而 volatile-xxx 表示从设置了过期键的键值中淘汰数据。</p>
<h4><strong>修改 Redis 内存淘汰策略</strong></h4>
<p>设置内存淘汰策略有两种方法，这两种方法各有利弊，需要使用者自己去权衡。</p>
<ul>
<li>方式一：通过“config set maxmemory-policy 策略”命令设置。它的优点是设置之后立即生效，不需要重启 Redis 服务，缺点是重启 Redis 之后，设置就会失效。</li>
<li>方式二：通过修改 Redis 配置文件修改，设置“maxmemory-policy 策略”，它的优点是重启 Redis 服务后配置不会丢失，缺点是必须重启 Redis 服务，设置才能生效。</li>
</ul>
<h3>内存淘汰算法</h3>
<p>从内测淘汰策略分类上，我们可以得知，除了随机删除和不删除之外，主要有两种淘汰算法：LRU 算法和 LFU 算法。</p>
<h4><strong>LRU 算法</strong></h4>
<p>LRU 全称是 Least Recently Used 译为最近最少使用，是一种常用的页面置换算法，选择最近最久未使用的页面予以淘汰。</p>
<p><strong>1. LRU 算法实现</strong></p>
<p>LRU 算法需要基于链表结构，链表中的元素按照操作顺序从前往后排列，最新操作的键会被移动到表头，当需要内存淘汰时，只需要删除链表尾部的元素即可。</p>
<p><strong>2. 近 LRU 算法</strong></p>
<p>Redis 使用的是一种近似 LRU 算法，目的是为了更好的节约内存，它的实现方式是给现有的数据结构添加一个额外的字段，用于记录此键值的最后一次访问时间，Redis 内存淘汰时，会使用随机采样的方式来淘汰数据，它是随机取 5 个值（此值可配置），然后淘汰最久没有使用的那个。</p>
<p><strong>3. LRU 算法缺点</strong></p>
<p>LRU 算法有一个缺点，比如说很久没有使用的一个键值，如果最近被访问了一次，那么它就不会被淘汰，即使它是使用次数最少的缓存，那它也不会被淘汰，因此在 Redis 4.0 之后引入了 LFU 算法，下面我们一起来看。</p>
<h4><strong>LFU 算法</strong></h4>
<p>LFU 全称是 Least Frequently Used 翻译为最不常用的，最不常用的算法是根据总访问次数来淘汰数据的，它的核心思想是“如果数据过去被访问多次，那么将来被访问的频率也更高”。</p>
<p>LFU 解决了偶尔被访问一次之后，数据就不会被淘汰的问题，相比于 LRU 算法也更合理一些。</p>
<p>在 Redis 中每个对象头中记录着 LFU 的信息，源码如下：</p>
<pre><code class="language-c">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;
</code></pre>
<p>在 Redis 中 LFU 存储分为两部分，16 bit 的 ldt（last decrement time）和 8 bit 的 logc（logistic counter）。</p>
<ol>
<li>logc 是用来存储访问频次，8 bit 能表示的最大整数值为 255，它的值越小表示使用频率越低，越容易淘汰；</li>
<li>ldt 是用来存储上一次 logc 的更新时间。</li>
</ol>
<h3>小结</h3>
<p>通过本文我们了解到，Redis 内存淘汰策略和过期回收策略是完全不同的概念，内存淘汰策略是解决 Redis 运行内存过大的问题的，通过与 maxmemory 比较，决定要不要淘汰数据，根据 maxmemory-policy 参数，决定使用何种淘汰策略，在 Redis 4.0 之后已经有 8 种淘汰策略了，默认的策略是 noeviction 当内存超出时不淘汰任何键值，只是新增操作会报错。</p>
</div>
</div>
<div>
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