Redis 中的过期键删除策略：惰性删除与定期删除

好的，各位程序猿、攻城狮、以及未来要征服代码星辰大海的弄潮儿们！ 🚀 大家好！

今天咱们要聊的，是 Redis 这位内存数据库界的大佬，它内部一个非常重要的“保洁阿姨”机制：过期键删除策略。啥？你以为数据库就只会存东西吗？错！存进去的东西，总有要清理的时候，不然内存早晚被撑爆，整个系统就得嗝屁！

那么，Redis 这位“阿姨”是怎么工作的呢？她可不是简单粗暴的“一刀切”，而是采用了两种策略，堪称“软硬兼施”，既保证了性能，又避免了内存泄漏。这两种策略就是： 惰性删除 (Lazy Expiration) 和 定期删除 (Active Expiration)。

别怕，听起来高大上，其实理解起来非常简单。咱们这就开始，保证让你听得懂，记得住，还能给面试官讲得明明白白！

一、背景故事：为什么需要过期键删除？

想象一下，你开了一家“记忆存储银行”，专门帮别人记住各种信息。比如，某人存了 100 块钱，约定一个月后到期，到期之后这笔钱就自动转到你的腰包（嘿嘿，是不是有点黑）。

如果一个月后，客户没来取钱，你是不是应该主动把这笔记录从你的账本上划掉？不然，你的账本会越来越厚，查询起来越来越慢，最终变成一堆废纸！ 🗑️

Redis 也是一样。它存储的数据都有一个“过期时间 (TTL, Time To Live)”。一旦数据过期，就应该被删除，释放内存空间。如果不删除，Redis 的内存就会被无用的数据塞满，性能会急剧下降，甚至崩溃。

所以，过期键删除策略，就是 Redis 用来清理这些过期数据的“保洁阿姨”。

二、策略一：惰性删除 (Lazy Expiration) – “不到万不得已，绝不出手！”

惰性删除，顾名思义，就是“懒”。它就像一个非常佛系的“阿姨”，平时没事就躺着，只有在“万不得已”的情况下才会出手。

工作原理： 当客户端尝试访问一个键时，Redis 首先会检查这个键是否已经过期。如果过期了，就立即删除这个键，然后返回 "key not found" 的错误。如果没过期，就正常返回数据。
优点：
- 节省 CPU 资源： 只有在访问过期键的时候才进行删除操作，避免了主动扫描所有键的开销。这就像“能躺着绝不坐着，能坐着绝不站着”的原则，最大程度地节省体力。
- 简单高效： 逻辑非常简单，实现起来也很容易。
缺点：
- 内存泄漏风险： 如果一个键过期了，但是一直没有被访问，那么它就会一直占用内存空间，直到被访问到才会删除。如果有大量的过期键一直没有被访问，就会导致内存泄漏。这就像你家的垃圾，一直堆在那里，直到你有一天突然想起来要扔掉它。
- 极端情况下的性能问题： 如果大量的键在同一时间过期，并且在短时间内被大量访问，那么 Redis 可能会花费大量的时间在删除过期键上，导致性能下降。这就像你家的水管突然爆了，你不得不花大量的时间来修理它。
适用场景：
- 适合于读写操作频繁，并且过期键被访问的概率比较高的场景。

用一段伪代码来表示惰性删除：

def get_key(key):
    if key not in db:
        return "key not found"

    if db[key].expired():  # 检查是否过期
        del db[key]        # 删除过期键
        return "key not found"
    else:
        return db[key].value

举个栗子：

假设你设置了一个键 user:session:123 的过期时间为 10 分钟。

10 分钟后，这个键过期了。
如果在这之后的任何时候，客户端尝试 GET user:session:123，Redis 就会发现这个键已经过期，立即删除它，并返回 "key not found"。
但是，如果在过期后的很长时间内，客户端都没有尝试访问这个键，那么这个键就会一直占用内存空间。

三、策略二：定期删除 (Active Expiration) – “定期大扫除，保持环境卫生！”

定期删除，就像一个勤劳的“阿姨”，她会定期地对 Redis 的数据库进行扫描，删除那些过期的键。

工作原理： Redis 会定期执行以下操作：
1. 随机抽取 一些数据库 (默认是 16 个数据库中随机选择几个)。
2. 扫描被选中的数据库中的一部分键。
3. 检查这些键是否已经过期。
4. 删除所有过期的键。
这个过程会重复执行，直到达到一定的 CPU 使用率上限，或者扫描了足够多的键。
优点：
- 降低内存泄漏风险： 通过定期扫描和删除过期键，可以有效地减少内存泄漏的风险。这就像定期打扫卫生，可以避免垃圾堆积。
- 避免极端情况下的性能问题： 定期删除可以分散删除过期键的压力，避免在短时间内删除大量的过期键，从而避免性能下降。这就像分批处理任务，可以避免一次性处理大量任务导致系统崩溃。
缺点：
- 占用 CPU 资源： 定期扫描和删除过期键会占用一定的 CPU 资源。如果扫描的频率太高，或者扫描的键太多，可能会影响 Redis 的性能。这就像频繁打扫卫生，可能会影响你的工作效率。
- 可能存在延迟： 由于是定期扫描，所以过期键可能不会立即被删除。在过期后到被扫描到并删除的这段时间内，过期键仍然会占用内存空间。这就像你家的垃圾，即使你每天都打扫，也可能会有一些垃圾残留。
适用场景：
- 适合于读写操作不频繁，或者过期键被访问的概率比较低的场景。
- 也适合于需要保证内存使用率的场景。

用一段伪代码来表示定期删除：

def active_expire():
    for i in range(databases_to_scan): # 随机选择几个数据库
        db = random.choice(databases)
        keys = db.get_random_keys(keys_to_scan) # 随机选择一部分键

        for key in keys:
            if key in db and db[key].expired():
                del db[key]

举个栗子：

Redis 默认每秒执行 10 次定期删除操作。每次操作会随机选择几个数据库，并扫描其中的一部分键，删除所有过期的键。

四、两种策略的比较：

为了更清晰地理解这两种策略，我们用一个表格来比较一下：

特性	惰性删除 (Lazy Expiration)	定期删除 (Active Expiration)
触发时机	访问过期键时	定期扫描数据库
CPU 占用	低	中等
内存占用	高	中等
实时性	高	低
适用场景	读写频繁，过期键访问概率高	读写不频繁，过期键访问概率低
优点	节省 CPU 资源，简单高效	降低内存泄漏风险，避免极端情况下的性能问题
缺点	内存泄漏风险，极端情况下的性能问题	占用 CPU 资源，可能存在延迟

五、 Redis 如何平衡两种策略？

Redis 并没有完全依赖于其中的一种策略，而是将两者结合起来使用，以达到最佳的效果。

惰性删除： 作为第一道防线，保证在访问过期键时能够立即删除它。
定期删除： 作为第二道防线，定期扫描数据库，删除那些没有被访问到的过期键。

通过这两种策略的结合，Redis 可以在保证性能的同时，有效地减少内存泄漏的风险。

六、影响过期键删除策略的配置项：

Redis 提供了一些配置项，可以用来调整过期键删除策略的行为。

hz: 这个配置项控制 Redis 执行定期删除操作的频率。默认值是 10，表示每秒执行 10 次定期删除操作。增加 hz 的值可以提高定期删除的频率，从而减少内存泄漏的风险，但也会增加 CPU 的占用。
maxmemory: 这个配置项设置 Redis 可以使用的最大内存量。当 Redis 的内存使用量达到 maxmemory 时，会触发内存淘汰策略 (Memory Eviction Policies)，删除一些键，释放内存空间。虽然内存淘汰策略不是专门用来删除过期键的，但是它也可以删除一些过期键，从而减少内存泄漏的风险。

七、思考题：

如果你的 Redis 实例主要用于缓存，并且数据更新频繁，你会更关注哪种过期键删除策略？为什么？
如果你的 Redis 实例主要用于存储会话信息，并且会话过期时间较长，你会如何配置 hz 参数？
除了惰性删除和定期删除之外，你还知道其他的过期键删除策略吗？ (提示：可以考虑内存淘汰策略)

八、总结：

Redis 的过期键删除策略是保证其性能和稳定性的重要机制。通过惰性删除和定期删除的结合，Redis 可以在保证性能的同时，有效地减少内存泄漏的风险。理解这两种策略的原理和优缺点，可以帮助你更好地配置和使用 Redis。

好啦，今天的“Redis 保洁阿姨”的故事就讲到这里。希望大家以后在使用 Redis 的时候，能够更加了解它的内部机制，从而更好地利用它来构建高性能的应用程序。

记住，好的程序猿，不仅要会写代码，还要了解代码背后的原理！ 💪

下次有机会，我们再聊聊 Redis 的其他有趣特性！拜拜！ 👋

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