Redis 键过期事件（`keyevent` notifications）与异步处理

Redis 键过期事件：一曲过期华尔兹，异步处理解忧愁 (5000+字技术长文)

各位观众，各位码农，各位程序猿、媛们，晚上好！欢迎来到今晚的“Redis那些事儿”特别节目！我是你们的老朋友，人称“Bug终结者”的码神小智！今晚，我们要聊一个既神秘又实用的话题：Redis 键过期事件，以及如何用异步处理来优雅地应对它。

想象一下，你的 Redis 数据库就像一个熙熙攘攘的咖啡馆，每一杯咖啡（也就是每一个键值对）都有它的生命周期。有的咖啡是“特调冰美式”，需要尽快喝掉；有的咖啡是“陈年老咖啡”，可以慢慢品味。当咖啡过了最佳赏味期，就需要清理掉，腾出空间迎接新的客人。而Redis的键过期机制，就扮演着咖啡馆“清扫阿姨”的角色，默默地清理着过期的数据。

但是，问题来了！如果“清扫阿姨”动作太大，直接把正在享受咖啡的客人吓跑了怎么办？也就是说，如果 Redis 在删除过期键时阻塞了主线程，导致其他操作变慢，那可就糟糕了。所以，我们需要一种优雅的方式，既能让“清扫阿姨”尽职尽责，又能保证咖啡馆的正常运营。这就是我们今天要探讨的重点： 异步处理键过期事件。

一、Redis 键过期机制：一场命中注定的告别

首先，让我们来深入了解一下 Redis 的键过期机制。

Redis 允许我们为键设置过期时间，当键过期后，Redis 会自动将其删除。这个过程主要由以下两个机制共同完成：

惰性删除 (Lazy Expiration): 当客户端尝试访问一个已过期的键时，Redis 会检查该键是否过期，如果过期，则删除该键，并返回“键不存在”的错误。这就像你去咖啡馆点了一杯“过期咖啡”，服务员告诉你：“不好意思，这杯咖啡已经过期了，请您换一杯吧。”
定期删除 (Active Expiration): Redis 会定期（默认每秒 10 次）随机抽取一部分键，检查它们是否过期，如果过期，则删除这些键。这就像“清扫阿姨”每隔一段时间就会巡视咖啡馆，清理掉桌子上已经空了的咖啡杯。

惰性删除 保证了过期键不会一直占用内存，但它只有在键被访问时才会触发，所以不能保证所有过期键都能及时被删除。 定期删除 则弥补了惰性删除的不足，但它每次只抽取一部分键进行检查，所以也不能保证所有过期键都能立即被删除。

总而言之，Redis 的键过期机制是一种折衷的方案，它在保证性能的同时，尽可能地清理过期数据。

表格1：Redis 键过期机制的对比

特性	惰性删除 (Lazy Expiration)	定期删除 (Active Expiration)
触发时机	键被访问时	定期 (默认每秒 10 次)
优点	节省 CPU 资源	弥补惰性删除的不足
缺点	不能保证所有过期键及时删除	每次只检查一部分键

二、`keyevent` Notifications：过期事件的监听器

光有过期机制还不够，我们还需要一种方式来监听键的过期事件，以便在键过期后执行一些自定义的操作。这就是 Redis 的 keyevent notifications 的作用。

keyevent notifications 允许我们订阅 Redis 的各种事件，包括键过期事件 ( expired )。我们可以通过 Redis 的 CONFIG SET 命令来启用 keyevent notifications。

例如，要启用所有 keyevent notifications，可以使用以下命令：

CONFIG SET notify-keyspace-events KEA

其中，KEA 是一个字符串，代表要启用的事件类型。不同的字母代表不同的事件类型：

K: Keyspace events，针对键空间的事件，例如 set, get, del 等。
E: Keyevent events，针对键的事件，例如 expired, evicted 等。
A: g、$、l、s、e 五个事件的集合。相当于 AKE
g: Generic events，与命令无关的事件，例如 del, expire, rename 等。
$：String events，与字符串相关的事件，例如 set, get, append 等。
l：List events，与列表相关的事件，例如 lpush, lpop, rpush 等。
s：Set events，与集合相关的事件，例如 sadd, srem, spop 等。
h：Hash events，与哈希相关的事件，例如 hset, hget, hdel 等。
z：Sorted set events，与有序集合相关的事件，例如 zadd, zrem, zrange 等。
t: Stream events，与流相关的事件，例如 xadd, xread 等。
x: Expired events，键过期事件。
e: Evicted events，键被驱逐事件。

要只启用键过期事件，可以使用以下命令：

CONFIG SET notify-keyspace-events Ex

启用 keyevent notifications 后，我们就可以使用 SUBSCRIBE 命令来订阅 __keyevent@<db>__:expired 频道，其中 <db> 是数据库的编号。

例如，要订阅 0 号数据库的键过期事件，可以使用以下命令：

SUBSCRIBE __keyevent@0__:expired

当一个键在 0 号数据库中过期时，Redis 会向 __keyevent@0__:expired 频道发布一条消息，消息的内容是过期键的名称。

注意： keyevent notifications 会带来一定的性能开销，所以应该谨慎使用。只在确实需要监听事件的情况下才启用它，并尽量只订阅需要的事件类型。

三、异步处理：优雅地化解过期风暴

现在，我们已经知道了如何监听键过期事件，接下来，我们需要考虑如何处理这些事件。

直接在 Redis 的主线程中处理过期事件显然不是一个好主意。因为处理过期事件可能会涉及到一些耗时的操作，例如：

删除数据库中的相关数据
更新缓存
发送通知

如果这些操作阻塞了主线程，会导致 Redis 的性能下降，甚至导致服务不可用。

所以，我们需要采用 异步处理 的方式来处理过期事件。异步处理是指将耗时的操作交给后台线程或进程来执行，从而避免阻塞主线程。

以下是一些常用的异步处理方法：

消息队列 (Message Queue): 当键过期时，将过期键的名称发送到消息队列，例如 RabbitMQ、Kafka 等。然后，由消费者从消息队列中取出过期键的名称，并执行相应的操作。

优点： 解耦、可靠性高、可扩展性强。

缺点： 引入了额外的组件，增加了系统的复杂度。
线程池 (Thread Pool): 当键过期时，将过期键的名称提交到线程池。然后，由线程池中的线程执行相应的操作。

优点： 实现简单，性能较高。

缺点： 可靠性较低，难以扩展。
Celery: Celery 是一个 Python 的分布式任务队列。我们可以使用 Celery 来异步处理过期事件。

优点： 功能强大，易于使用，支持多种消息队列。

缺点： 依赖 Python 环境。

表格2：异步处理方法的对比

方法	优点	缺点
消息队列	解耦、可靠性高、可扩展性强	引入额外组件，增加系统复杂度
线程池	实现简单，性能较高	可靠性较低，难以扩展
Celery	功能强大，易于使用	依赖 Python 环境

选择哪种异步处理方法取决于具体的应用场景。如果对可靠性要求较高，可以选择消息队列；如果对性能要求较高，可以选择线程池；如果使用 Python 环境，可以选择 Celery。

四、代码示例：用 Python 和 Redis 实现异步过期处理 (基于 Celery)

接下来，我们用一个简单的例子来演示如何使用 Python 和 Redis 实现异步过期处理。我们将使用 Celery 作为异步任务队列。

1. 安装必要的库：

pip install redis celery

2. 创建 celeryconfig.py 文件：

# celeryconfig.py
broker_url = 'redis://localhost:6379/0'  # Redis 作为消息代理
result_backend = 'redis://localhost:6379/0' # Redis 作为结果后端
task_serializer = 'json'
result_serializer = 'json'
accept_content = ['json']
timezone = 'Asia/Shanghai'  # 设置时区
enable_utc = True

3. 创建 tasks.py 文件：

# tasks.py
from celery import Celery
import time

app = Celery('tasks', broker='redis://localhost:6379/0', backend='redis://localhost:6379/0')
app.config_from_object('celeryconfig')  # 加载 Celery 配置

@app.task
def process_expired_key(key):
    """
    模拟处理过期键的任务
    """
    print(f"开始处理过期键: {key}")
    time.sleep(5)  # 模拟耗时操作
    print(f"成功处理过期键: {key}")
    # 在这里可以执行实际的业务逻辑，例如删除数据库中的数据，更新缓存等

4. 创建 redis_subscriber.py 文件：

# redis_subscriber.py
import redis
import time
from tasks import process_expired_key

REDIS_HOST = 'localhost'
REDIS_PORT = 6379
REDIS_DB = 0

redis_client = redis.Redis(host=REDIS_HOST, port=REDIS_PORT, db=REDIS_DB)
pubsub = redis_client.pubsub()
pubsub.subscribe('__keyevent@0__:expired')

print("开始监听 Redis 过期事件...")

try:
    for message in pubsub.listen():
        if message['type'] == 'message':
            expired_key = message['data'].decode('utf-8')
            print(f"检测到过期键: {expired_key}")
            process_expired_key.delay(expired_key) # 异步调用 Celery 任务

except KeyboardInterrupt:
    print("停止监听 Redis 过期事件.")

5. 启动 Celery Worker：

在终端中运行以下命令：

celery -A tasks worker -l info

6. 运行 redis_subscriber.py：

在另一个终端中运行以下命令：

python redis_subscriber.py

7. 测试：

在 Redis 客户端中设置一个带过期时间的键：

SET mykey myvalue EX 10  # 设置 mykey 的值为 myvalue，过期时间为 10 秒

等待 10 秒后，你应该能在 Celery Worker 的控制台中看到类似以下的输出：

[2023-10-27 22:00:00,000: INFO/MainProcess] Received task: tasks.process_expired_key[uuid]
[2023-10-27 22:00:00,000: INFO/ForkPoolWorker-1] 开始处理过期键: mykey
[2023-10-27 22:00:05,000: INFO/ForkPoolWorker-1] 成功处理过期键: mykey
[2023-10-27 22:00:05,000: INFO/MainProcess] Task tasks.process_expired_key[uuid] succeeded in 5.0s: None

同时，在 redis_subscriber.py 的控制台中，你也能看到类似以下的输出：

开始监听 Redis 过期事件...
检测到过期键: mykey

这个例子演示了如何使用 Celery 异步处理 Redis 键过期事件。当 mykey 过期时，redis_subscriber.py 会检测到该事件，并将 mykey 的名称发送给 Celery Worker。 Celery Worker 会执行 process_expired_key 任务，模拟处理过期键的操作。

五、最佳实践：让你的过期策略更优雅

最后，我们来总结一些使用 Redis 键过期事件的最佳实践：

明确过期策略： 在设置键的过期时间之前，一定要明确你的过期策略。不同的数据应该有不同的过期时间。例如，缓存数据可以设置较短的过期时间，而日志数据可以设置较长的过期时间。
避免大量键同时过期： 如果大量键同时过期，会导致 Redis 的性能下降。为了避免这种情况，可以采用随机过期时间的方法，将键的过期时间分散开来。

例如，可以将键的过期时间设置为 当前时间 + 固定时间 + 随机时间。
监控过期事件的处理： 监控异步处理过期事件的任务是否成功执行。如果任务执行失败，需要进行重试或者报警。
避免过度依赖过期事件： 不要过度依赖过期事件。过期事件只是一个辅助手段，不能完全替代其他的解决方案。例如，可以使用 TTL 命令来主动检查键的剩余生存时间，或者使用 Lua 脚本来原子性地执行一些操作。
考虑持久化： 如果 Redis 数据非常重要，需要考虑持久化。 Redis 提供了两种持久化方式：RDB 和 AOF。 RDB 是快照持久化，AOF 是命令持久化。可以根据具体的应用场景选择合适的持久化方式。

表格3：Redis 持久化方式的对比

持久化方式	优点	缺点
RDB	恢复速度快，适合用于备份	可能会丢失最后一次快照之后的数据
AOF	数据安全性高，可以保证数据的完整性	恢复速度慢，文件体积大

六、总结：过期虽短暂，异步永流传

Redis 键过期事件是一个非常有用的功能，可以帮助我们管理缓存、清理垃圾数据、实现会话管理等。但是，在使用过期事件时，一定要注意性能问题，并采用异步处理的方式来避免阻塞主线程。

希望今天的分享能帮助大家更好地理解和使用 Redis 键过期事件。记住，过期虽短暂，异步永流传！让我们一起用优雅的代码，构建更健壮的系统！

感谢大家的收看，我们下期再见！ (挥手) 👋