前言
最近在需求開發(fā)中又用到了我們熟知的Redis字符串操作SET命令，可以設置指定key的值value及該key的生存時間（Time To Live，TTL）。相關命令的語法如下：
set key value [EX seconds] [PX milliseconds] [NX|XX] //TTL由EX指定秒或PX指定毫秒
expire key seconds //expire指定TTL，單位為秒
pexpire key milliseconds //pexpire指定TTL，單位為毫秒
expireat key timestamp //expireat指定過期時間戳，單位為秒
pexpireat key milliseconds-timestamp //pexpireat指定過期時間戳，單位為毫秒
TTL key //key的剩余生存時間，單位是秒
PTTL key //key的剩余生存時間，單位是毫秒
PERSIST key //移除key的過期時間
這些命令用起來挺熟練，可轉念一想，Redis中鍵的自動過期是如何實現(xiàn)的呢？在翻閱資料及源碼的基礎上，本文主要從過期時間處理、自動刪除過期鍵策略等方面簡要介紹該功能的實現(xiàn)。
鍵的過期時間處理
設置過期時間
前言中提到，Redis有四個不同命令可以用于設置鍵的生存時間或過期時間。
可以通過EXPIRE或PEXPIRE命令設置該key的生存時間（Time To Live，TTL），在經(jīng)過指定秒或毫秒后，Redis服務器就會自動刪除生存時間為0的鍵key。
同時可以使用EXPIREAT或PEXPIREAT命令給鍵key設置過期時間（expire time）。
雖然命令形式多樣，但實際上EXPIRE、PEXPIRE、EXPIREAT三個命令都是使用PEXPIREAT命令來實現(xiàn)的，轉換方法很簡單，就是將過期時間換算成時間戳，并保持時間單位統(tǒng)一。
保存過期時間
redisDb結構的expires字典保存了數(shù)據(jù)庫中所有鍵的過期時間，被稱為“過期字典”。
- 過期字典是一個指針，指向鍵空間中的某個對象（也即時某個數(shù)據(jù)庫鍵）。
- 過期字典的值是一個long long類型的整數(shù)，保存了鍵所指向的數(shù)據(jù)庫鍵的過期時間（一個毫秒精度的UNIX時間戳）。
移除過期時間
PERSIST命令可以移除一個鍵的過期時間，實際就是PEXPIREAT命令的反操作：PERSIST命令在過期字典中查找給定的鍵，并解除鍵和值（過期時間）在過期字典中的關聯(lián)。
計算并返回剩余生存時間
可以使用TTL或PTTL命令查找給定鍵key的剩余生存時間（key距離被服務器刪除還剩多少秒/毫秒），兩個命令都是通過計算鍵的過期時間和當前時間的差值實現(xiàn)的。
過期鍵的判定
Redis通過查詢過期字典的方式檢查一個給定鍵是否過期：
- 檢查給定鍵是否存在于過期字典：如果存在，那么取得鍵的過期時間；
- 檢查當前UNIX時間戳是否大于鍵的過期時間：如果是的話，name鍵已過期；否則鍵未過期。
過期鍵刪除策略
常見的三種刪除策略對比
| 刪除策略 | 實現(xiàn) | 優(yōu)點 | 缺點 |
|---|---|---|---|
| 定時刪除 | 設置鍵的過期時間的同時，創(chuàng)建一個定時器（Timer），讓定時器在鍵的過期時間來臨時，立即執(zhí)行對鍵的刪除操作。 | 內存占用率低，通過使用定時器，可以保證過期鍵會盡可能快地被刪除，并釋放過期鍵所占的內存。 | 占用較多cpu時間，影響服務器的響應時間和吞吐量。 |
| 惰性刪除 | 放任鍵過期不管，但是每次獲取鍵時，都檢查鍵是否已過期，如果過期則刪除該鍵；否則返回該鍵。 | cpu占用率低，只會在取出鍵時才進行過期檢查，可以保證刪除的目標僅限于當前的鍵，不會在其它過期鍵上花費任何cpu時間。 | 浪費內存，有內存泄漏的風險。 |
| 定期刪除 | 每隔一段時間就對數(shù)據(jù)庫做一次過期鍵的刪除。但每次要刪除多少過期鍵、要檢查多少個db，則由算法決定。 | 是前兩種策略的整合和折中，減少了內存和cpu的無謂占用。 | 難以確定刪除操作執(zhí)行的時長和頻率。 |
Redis的過期鍵刪除策略
Redis服務器實際使用的是惰性刪除和定期刪除兩種策略：通過配合使用這兩種策略，服務器可以很好地在合理使用cpu和避免浪費內存空間之間取得平衡。
惰性刪除策略的實現(xiàn)
過期鍵的惰性刪除策略由db.c/expireIfNeeded函數(shù)實現(xiàn)，所有讀寫數(shù)據(jù)庫的Redis命令在執(zhí)行之前都會調用expireIfNeeded函數(shù)對輸入鍵進行檢查：
- 如果輸入鍵已經(jīng)過期，那么expireIfNeeded函數(shù)將輸入鍵從數(shù)據(jù)庫中刪除。
- 如果輸入鍵未過期，那么expireIfNeeded函數(shù)不做動作。
expireIfNeeded函數(shù)就像一個過濾器，它可以在命令真正執(zhí)行之前，過濾掉過期的輸入鍵，從而避免命令接觸到過期鍵。另外，因為每個被訪問的鍵都可能因為過期而被expireIfNeeded函數(shù)刪除，所以每個命令的實現(xiàn)函數(shù)都必須能同時處理鍵存在和不存在的情況：
- 當鍵存在時，命令按照鍵存在的情況執(zhí)行。
- 當鍵不存在或者鍵因為過期而被expireIfNeeded函數(shù)刪除時，命令按照鍵不存在的情況執(zhí)行。
定期刪除策略的實現(xiàn)
過期鍵的定期刪除策略由redis.c/activeExpireCycle函數(shù)實現(xiàn)，每當Redis的服務器周期性操作redis.c/serverCron函數(shù)執(zhí)行時，activeExpireCycle函數(shù)就會被調用，它在規(guī)定的時間內，分多次遍歷服務器中的各個數(shù)據(jù)庫，從數(shù)據(jù)庫的expires字典中隨機檢查一部分鍵的過期時間，并刪除其中的過期鍵。
activeExpireCycle函數(shù)的工作模式可以總結如下：
- 函數(shù)每次運行時，都從一定數(shù)量的數(shù)據(jù)庫（取min(默認16，實際數(shù)量)）中取出一定數(shù)量的隨機鍵（默認20）進行檢查，并刪除其中的過期鍵。
- 全局變量current_db會記錄當前activeExpireCycle函數(shù)檢查的進度，并在下一次activeExpireCycle函數(shù)調用時，接著上一次的進度進行處理。
- 隨著activeExpireCycle函數(shù)的不斷執(zhí)行，服務器中的所有db都會被檢查一遍，這時函數(shù)將current_db變量重置為0，然后進行新一輪的定期刪除。
小結
本文對Redis中鍵過期功能的實現(xiàn)做了一個簡要介紹，相信讀者看完之后會對大致的實現(xiàn)方案有所了解，但更多細節(jié)推薦閱讀《Redis涉及與實現(xiàn)》，當然想自己去研究源碼更好啦。
