关于Redis的内存淘汰策略详解

一、什么是内存淘汰？

如果在做项目时，不计任何后果地把任何数据都往 Redis 写入，使用不合理很容易导致数据超过Redis 的最大内存，这种情况就会导致如下问题。

Redis 中有很多无效的缓存，这些缓存数据会降低 IO 性能。
随着系统的运行，Redis 的数据越来越多，会导致物理内存不足。虽然可以通过使用虚拟内存，将很少访问的数据交换到磁盘上，腾出内存空间的方法来解决物理内存不足的问题，但是由于这部分数据存储在磁盘上，如果在高并发场景中，频繁访问虚拟内存空间会严重降低系统性能。

所以遇到 Redis 内存不足的问题时，我们一般有几种方法：

对每个存储到 Redis 中的 key 设置过期时间，这个根据实际业务场景来决定。否则，再大的内存都会随着系统运行被消耗完；
增加内存；
使用内存淘汰策略。

当内存空间使用达到限制时，Redis 会根据配置策略来选择不同处理方式，要么返回 errors，要么按照不同的策略算法来清除一些旧数据，达到回收内存的目的，这就是 Redis 的内存淘汰，有些文章中，内存淘汰也叫缓存回收。

本文以 Linux 系统安装的 4.0.8 版本的 Redis 为例，对内存淘汰策略进行总结。Redis 的最大内存上限、淘汰算法的配置都在 redis.conf 文件中有说明，现在把 redis.conf 中对内存管理的部分内容摘录如下。

############################## MEMORY MANAGEMENT ################################
# Set a memory usage limit to the specified amount of bytes.
# When the memory limit is reached Redis will try to remove keys
# according to the eviction policy selected (see maxmemory-policy).
#
# If Redis can\’t remove keys according to the policy, or if the policy is
# set to \’noeviction\’, Redis will start to reply with errors to commands
# that would use more memory, like SET, LPUSH, and so on, and will continue
# to reply to read-only commands like GET.
#
# This option is usually useful when using Redis as an LRU or LFU cache, or to
# set a hard memory limit for an instance (using the \’noeviction\’ policy).
#
# WARNING: If you have slaves attached to an instance with maxmemory on,
# the size of the output buffers needed to feed the slaves are subtracted
# from the used memory count, so that network problems / resyncs will
# not trigger a loop where keys are evicted, and in turn the output
# buffer of slaves is full with DELs of keys evicted triggering the deletion
# of more keys, and so forth until the database is completely emptied.
#
# In short… if you have slaves attached it is suggested that you set a lower
# limit for maxmemory so that there is some free RAM on the system for slave
# output buffers (but this is not needed if the policy is \’noeviction\’).
#
# maxmemory <bytes>
# MAXMEMORY POLICY: how Redis will select what to remove when maxmemory
# is reached. You can select among five behaviors:
#
# volatile-lru -> Evict using approximated LRU among the keys with an expire set.
# allkeys-lru -> Evict any key using approximated LRU.
# volatile-lfu -> Evict using approximated LFU among the keys with an expire set.
# allkeys-lfu -> Evict any key using approximated LFU.
# volatile-random -> Remove a random key among the ones with an expire set.
# allkeys-random -> Remove a random key, any key.
# volatile-ttl -> Remove the key with the nearest expire time (minor TTL)
# noeviction -> Don\’t evict anything, just return an error on write operations.
#
# LRU means Least Recently Used
# LFU means Least Frequently Used
#
# Both LRU, LFU and volatile-ttl are implemented using approximated
# randomized algorithms.
#
# Note: with any of the above policies, Redis will return an error on write
# operations, when there are no suitable keys for eviction.
#
# At the date of writing these commands are: set setnx setex append
# incr decr rpush lpush rpushx lpushx linsert lset rpoplpush sadd
# sinter sinterstore sunion sunionstore sdiff sdiffstore zadd zincrby
# zunionstore zinterstore hset hsetnx hmset hincrby incrby decrby
# getset mset msetnx exec sort
#
# The default is:
#
# maxmemory-policy noeviction
# LRU, LFU and minimal TTL algorithms are not precise algorithms but approximated
# algorithms (in order to save memory), so you can tune it for speed or
# accuracy. For default Redis will check five keys and pick the one that was
# used less recently, you can change the sample size using the following
# configuration directive.
#
# The default of 5 produces good enough results. 10 Approximates very closely
# true LRU but costs more CPU. 3 is faster but not very accurate.
#
# maxmemory-samples 5

二、Redis 内存上限

Redis 的最大内存上限可以在配置文件 redis.conf 中配置，redis.conf 配置如下：

# maxmemory <bytes>

设置 maxmemory 为 0 表示没有内存限制。在 64 位系统中，默认是 0 无限制，但是在 32 位系统中默认是 3GB。

三、Redis 内存淘汰策略

Redis 提供了一种内存淘汰策略，当内存不足时，Redis 会根据相应的淘汰规则对 key 数据进行淘汰。 Redis 的内存淘汰策略共有 8 种具体的淘汰策略，默认的策略为 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。8 种淘汰策略如下所示。

volatile-lru：当内存不足时，从设置了过期时间的 key 中使用 LRU 算法，选出最近使用最少的数据进行淘汰；
allkeys-lru：当内存不足时，从所有 key 中使用 LRU 算法，选出最近使用最少的数据进行淘汰；
volatile-lfu：当内存不足时，从设置了过期时间的 key 中使用 LFU 算法，选出使用频率最低的数据进行淘汰；
allkeys-lfu：当内存不足时，从所有 key 中使用 LFU 算法，选出使用频率最低的数据，进行淘汰；
volatile-random：当内存不足时，从设置了过期时间的 key 中，随机选出数据进行淘汰；
allkeys-random：当内存不足时，从所有的 key 中，随机选出数据进行淘汰；
volatile-ttl：当内存不足时，从设置了过期时间的 key 中，选出即将过期的数据（按照过期时间的先后，选出最先过期的数据）进行淘汰；
noeviction：当内存不足时，禁止淘汰数据，写入操作报错。这是 Redis 默认的内存淘汰策略。

前缀为 volatile- 和 allkeys- 的区别在于二者选择要清除的键时的字典不同，volatile- 前缀的策略表示从 redisDb 中的过期字典中选择键进行清除；allkeys- 开头的策略代表从 dict 字典中选择键进行清除。

策略中用到的两种算法：

LRU（Least Recently Used）：最近最少使用。优先淘汰使用时间最远的数据。
LFU（Least Frequently Used）：最小频率使用。优先淘汰最不常用的 Key。

四、内存淘汰的具体工作步骤

客户端执行一条新命令，导致数据库需要增加数据（比如 set key value）；
Redis 会检查内存使用情况，如果内存使用超过 maxmemory 设置的值，就会按照内存淘汰策略删除一些 key；
新的命令执行成功。

五、LRU 算法及在 Redis 中的改进

5.1 LRU 算法

LRU 是 Least Recently Used 的缩写，也就是表示最近最少使用，也可以理解成最久没有使用。也就是说当内存不够的时候，每次添加一条数据，都需要抛弃一条最久时间没有使用的旧数据。标准的 LRU 算法为了降低查找和删除元素的时间复杂度，一般采用 Hash 表和双向链表结合的数据结构，Hash 表可以快速查找到某个 key 是否存在链表中，同时可以快速删除、添加节点，如下图所示。

双向链表的查找时间复杂度是 O(n)，删除和插入是 O(1)，借助 HashMap 结构，可以使得查找的时间复杂度变成 O(1)。 Hash 表用来查询在链表中的数据位置，链表负责数据的插入，当新数据插入到链表头部时有两种情况。

链表满了，把链表尾部的数据丢弃掉，新加入的缓存直接加入到链表头中。
当链表中的某个缓存被命中时，直接把数据移到链表头部，原本在头节点的缓存就向链表尾部移动。

这样，经过多次 Cache 操作之后，最近被命中的缓存，都会存在链表头部的方向，没有命中的，都会在链表尾部方向，当需要替换内容时，由于链表尾部是最少被命中的，我们只需要淘汰链表尾部的数据即可。

5.2 Redis 中的 LRU 算法

实际上，Redis 使用的 LRU 算法是一种不可靠的 LRU 算法，它实际淘汰的键并不一定是真正最少使用的数据。它的工作机制是：

随机采集淘汰的 key，每次随机选出 5 个key；
然后淘汰这 5 个 key 中最少使用的 key。

这 5 个 key 是默认的个数，具体的数值可以在 redis.conf 中配置。

maxmemory-samples 5

当近似 LRU 算法的抽样值越大时就越接近真实的 LRU 算法，因为取值越大获取的数据越完整，淘汰的数据就更加接近最少使用的数据，但是消耗的 CPU 更多。抽样值越小，算法运行更快，但是准确度越低。这里涉及一个权衡问题，如果需要在所有的数据中搜索最符合条件的数据，那么一定会增加系统的开销。Redis 是单线程的，所有耗时的操作都要谨慎一些。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，也就是放弃了从所有数据中搜索解，改为在采样空间搜索最优解。Redis 3.0 版本之后，Redis 作者对基于采样的 LRU 进行了一些优化：

Redis 中维护一个大小为 16 的候选池，当第一次随机选取采样数据时，会把数据放入到候选池中，并且候选池中的数据会根据 key 的空闲时间进行排序。
当第二次以后选取数据时，只有大于候选池内最小空闲时间的 key 才会被放进候选池（空闲时间越大，代表越久没有被使用，准备淘汰)）。
当候选池的数据满了之后，那么空闲时间最大的 key 就会被挤出候选池。当执行淘汰时，直接从候选池中选取空闲时间最大的 key 进行淘汰。

如下图所示，首先从目标字典中采集出 maxmemory-samples 个键，缓存在一个 samples 数组中，然后从 samples 数组中一个个取出来，和回收池中的键进行键的空闲时间比较，从而更新回收池。在更新过程中，首先遍历找到每个键的实际插入位置 x，然后根据不同情况进行处理。

回收池满了，并且当前插入的 key 的空闲时间最小（也就是回收池中的所有 key 都比当前插入的 key 的空闲时间大），则不作任何操作。
回收池未满，并且插入的位置 x 没有键，则直接插入即可。
回收池未满，且插入的位置 x 原本已经存在要淘汰的键，则把第 x 个以后的元素都往后挪一个位置，然后再执行插入操作。
回收池满了，将当前第 x 个以前的元素往前挪一个位置（实际就是淘汰了），然后执行插入操作。

这样做的目的是能够选出最真实的最少被访问的 key，能够正确选择不常使用的 key。因为在Redis 3.0 之前是随机选取样本，这样的方式很有可能不是真正意义上的最少访问的 key。LRU 算法有一个弊端，假如一个 key 值访问频率很低，但是最近一次被访问到了，那 LRU 会认为它是热点数据，不会被淘汰。同样，经常被访问的数据，最近一段时间没有被访问，这样会导致这些数据被淘汰掉，导致误判而淘汰掉热点数据，于是在 Redis 4.0 中，新加了一种 LFU 算法。

六、LFU

LFU（Least Frequently Used），表示最小频率使用，它和 key 的使用次数有关。其思想是：根据 key 最近被访问的频率进行淘汰，比较少访问的 key 优先淘汰，反之则保留。LFU 的原理是使用计数器来对 key 进行排序，每次 key 被访问时，计数器会增大，当计数器越大，意味着当前 key 的访问越频繁，也就是意味着它是热点数据。它很好的解决了 LRU 算法的缺陷：一个很久没有被访问的 key，偶尔被访问一次，导致被误认为是热点数据的问题。LFU 的实现原理如下图所示，LFU 维护了两个链表，横向组成的链表用来存储访问频率，每个访问频率的节点下存储另外一个具有相同访问频率的缓存数据。具体的工作原理是：