Redis 内存淘汰机制

Redis 内存淘汰指的是用户存储的一些键被可以被 Redis 主动地从实例中删除,从而产生读 miss 的情况,那么 Redis 为什么要有这种功能?这就是我们需要探究的设计初衷。Redis 最常见的两种应用场景为缓存和持久存储,首先要明确的一个问题是内存淘汰策略更适合于那种场景?是持久存储还是缓存?

假设我们有一个 Redis 服务器,服务器物理内存大小为 1G 的,我们需要存在 Redis 中的数据量很小,这看起来似乎足够用很长时间了,随着业务量的增长,我们放在 Redis 里面的数据越来越多了,数据量大小似乎超过了 1G,但是应用还可以正常运行,这是因为操作系统的可见内存并不受物理内存限制,而是虚拟内存,物理内存不够用没关系,操作系统会从硬盘上划出一片空间用于构建虚拟内存,比如32位的操作系统的可见内存大小为 2^32,而用户空间的可见内存要小于 2^32 很多,大概是 3G 左右。好了,我们庆幸操作系统为我们做了这些,但是我们需要知道这背后的代价是不菲的,不合理的使用内存有可能发生频繁的 swap,频繁 swap 的代价是惨痛的。所以回过头来看,作为有追求的程序员,我们还是要小心翼翼地使用好每块内存,把用户代码能解决的问题尽量不要抛给操作系统解决。

内存的淘汰机制的初衷是为了更好地使用内存,用一定的缓存 miss 来换取内存的使用效率。

如何用

作为 Redis 用户,我们如何使用 Redis 提供的这个特性呢?

# maxmemory <bytes>
1

我们可以通过配置 redis.conf 中的 maxmemory 这个值来开启内存淘汰功能,至于这个值有什么意义,我们可以通过了解内存淘汰的过程来理解它的意义:

  • 客户端发起了需要申请更多内存的命令(如set)
  • Redis 检查内存使用情况,如果已使用的内存大于 maxmemory 则开始根据用户配置的不同淘汰策略来淘汰内存(key),从而换取一定的内存
  • 如果上面都没问题,则这个命令执行成功

maxmemory 为 0 的时候表示我们对 Redis 的内存使用没有限制

内存淘汰策略

内存淘汰只是 Redis 提供的一个功能,为了更好地实现这个功能,必须为不同的应用场景提供不同的策略,内存淘汰策略讲的是为实现内存淘汰我们具体怎么做,要解决的问题包括淘汰键空间如何选择?在键空间中淘汰键如何选择?

Redis 提供了下面几种淘汰策略供用户选择,其中默认的策略为 noeviction 策略:

  • noeviction:当内存使用达到阈值的时候,所有引起申请内存的命令会报错
  • allkeys-lru:在主键空间中,优先移除最近未使用的key
  • volatile-lru:在设置了过期时间的键空间中,优先移除最近未使用的 key
  • allkeys-random:在主键空间中,随机移除某个 key
  • volatile-random:在设置了过期时间的键空间中,随机移除某个 key
  • volatile-ttl:在设置了过期时间的键空间中,具有更早过期时间的 key 优先移除

这里补充一下主键空间和设置了过期时间的键空间,举个例子,假设我们有一批键存储在Redis中,则有那么一个哈希表用于存储这批键及其值,如果这批键中有一部分设置了过期时间,那么这批键还会被存储到另外一个哈希表中,这个哈希表中的值对应的是键被设置的过期时间。设置了过期时间的键空间为主键空间的子集。

如何选择淘汰策略

我们了解了 Redis 大概提供了这么几种淘汰策略,那么如何选择呢?淘汰策略的选择可以通过下面的配置指定:

# maxmemory-policy noeviction
1

但是这个值填什么呢?为解决这个问题,我们需要了解我们的应用请求对于 Redis 中存储的数据集的访问方式以及我们的诉求是什么。同时 Redis 也支持 Runtime 修改淘汰策略,这使得我们不需要重启 Redis 实例而实时的调整内存淘汰策略。

下面看看几种策略的适用场景:

  • allkeys-lru:如果我们的应用对缓存的访问符合幂律分布(也就是存在相对热点数据),或者我们不太清楚我们应用的缓存访问分布状况,我们可以选择 allkeys-lru 策略
  • allkeys-random:如果我们的应用对于缓存 key 的访问概率相等,则可以使用这个策略
  • volatile-ttl:这种策略使得我们可以向 Redis 提示哪些 key 更适合被 eviction

另外,volatile-lru 策略和 volatile-random 策略适合我们将一个Redis实例既应用于缓存和又应用于持久化存储的时候,然而我们也可以通过使用两个 Redis 实例来达到相同的效果,值得一提的是将key设置过期时间实际上会消耗更多的内存,因此我们建议使用 allkeys-lru 策略从而更有效率的使用内存。

非精准的 LRU

上面提到的 LRU(Least Recently Used)策略,实际上 Redis 实现的 LRU 并不是可靠的 LRU,也就是名义上我们使用 LRU 算法淘汰键,但是实际上被淘汰的键并不一定是真正的最久没用的,这里涉及到一个权衡的问题,如果需要在全部键空间内搜索最优解,则必然会增加系统的开销,Redis 是单线程的,也就是同一个实例在每一个时刻只能服务于一个客户端,所以耗时的操作一定要谨慎。为了在一定成本内实现相对的 LRU,早期的 Redis 版本是基于采样的 LRU,也就是放弃全部键空间内搜索解改为采样空间搜索最优解。自从 Redis3.0 版本之后,Redis 作者对于基于采样的 LRU 进行了一些优化,目的是在一定的成本内让结果更靠近真实的 LRU。

上次更新: 2018-12-25 23:33:48