Redis过期时间的设计与实现代码

2024-08-26 08:06 数据库作者：逸风尊者

1. 设置过期时间

Redis 提供了多个命令来设置键的过期时间，如 EXPIRE、PEXPIRE、EXPIREAT 和 PEXPIREAT。这些命令可以以秒或毫秒为单位设置键的过期时间，也可以设置具体的过期时间点。

EXPIRE key seconds
PEXPIRE key milliseconds
EXPIREAT key timestamp
PEXPIREAT key milliseconds-timestamp

示例：

void expireCommand(client *c) {
    long long seconds;
    if (getLongLongFromObjectOrReply(c, c->argv[2], &seconds, NULL) != C_OK)
        return;
    setExpire(c, c->db, c->argv[1], mstime() + seconds*1000);
    addReply(c, shared.cone);
}

2. 过期键的存储结构

每个 Redis 数据库实例（redisDb）中都有一个名为 expires 的字典，用于存储键的过期时间。这个字典将键指针映射到以毫秒为单位的到期时间点。

typedef struct redisDb {
    dict *dict;                // 主字典，存储所有键值对
    dict *expires;             // 过期字典，存储键的过期时间
    ...
} redisDb;

3. 设置过期时间

通过 setExpire 函数设置键的过期时间。如果键已经存在于 expires 字典中，则更新其过期时间；否则，将其添加到 expires 字典中。

void setExpire(client *c, redisDb *db, robj *key, long long when) {
    dictEntry *de = dictFind(db->dict, key->ptr);
    if (de == NULL) return;

    /* Set the new expire time */
    if (dictAdd(db->expires, dictGetKey(de), (void*)when) == DICT_ERR) {
        dictReplace(db->expires, dictGetKey(de), (void*)when);
    }
}

4. 删除过期键的策略

Redis 采用了以下三种策略来删除过期键：

惰性删除（Lazy Deletion） ：每次访问键时检查其是否过期，如果已过期则删除。这样只在访问键时才进行过期检查，节省了资源。

robj *lookupKeyRead(redisDb *db, robj *key) {
    robj *val;
    expireIfNeeded(db,key);  // 检查并删除过期键
    val = lookupKey(db,key,LOOKUP_NONE);
    return val ? val : NULL;
}

定期删除（Periodic Deletion） ：Redis 会周期性地随机抽取一定数量的键进行过期检查，并删除其中已过期的键。这一过程由后台任务定期执行，确保尽可能多的过期键被及时删除。

int activeExpireCycle(int type) {
    unsigned int current_db = server.dbnum;
    long long start = ustime();
    long long timelimit = 1000000; // 1秒
    int dbs_per_call = CRON_DBS_PER_CALL;

    current_db = server.current_db;
    while(dbs_per_call--) {
        redisDb *db = server.db + (current_db % server.dbnum);
        activeExpireCycleTryExpire(db, cycle_tickets);
        current_db++;
    }

    long long elapsed = ustime()-start;
    return elaps编程客栈ed > timelimit;
}

主动删除（Active Expiration） ：在内存使用接近最大限制时，会触发主动删除策略，通过扫描所有库的键删除过期数据，以确保内存使用量保持在设定范围内。

void evictExpiredKeys() {
    for (int j = 0; j < server.dbnum; j++) {
        redisDb *db = server.db+j;
        scanDatabaseForExpiredKeys(db);
    }
}

Redis 默认采用以下两种删除过期键策略：

惰性删除（Lazy Deletion） ：每次访问某个键时检查其是否过期，如果过期则删除。

定期删除（Periodic Deletion） ：后台任务定期扫描数据库中的键，随机抽取部分键进行过期检查并删除其中已过期的键。

5. 检查并删除过期键

expireIfNeeded 函数用于检查某个键是否过期，如果过期则删除该键。

int expireIfNeeded(redisDb *db, robj *key) {
    mstime_t when = getExpire(db, key);
    if (when < 0) return 0;

    if (mstime() > when) {
        server.stat_expiredkeys++;
        propagateExpire(db,key);
        dbDelete(db,key);
        return 1;
    } else {
        return 0;
    }
}

getExpire：从 expires 字典中获取键的过期时间。
mstime：返回当前的毫秒时间戳。
如果键已过期，则调用 dbDelete 删除该键，并增加统计计数器 stat_expiredkeys。

6. 获取过期时间

getExpire 函数用于获取键的过期时间，如果键没有设置过期时间则返回 -1。

mstime_t getExpire(redisDb *db, robj *key) {
    dictEntry *de;
    if (androiddictSize(db->expires) == 0 ||
        (de = dictFind(db->expires, key->ptr)) == NULL) return -1;

    return (mstime_t)dictGetSignedIntegerVal(de);
}

总结

Redis 的过期时间设计与实现包括以下几个关键点：

设置过期时间：通过 EXPIRE、PEXPIRE 等命令设置键的过期时间，并将过期时间存储在 expires 字典中。
过期字典：每个数据库实例都有一个 expires 字典，用于存储键的过期时间。
删除策略：
- 惰性删除：每次访问键时检查其是否过期，如果已过期则删除。
- 定期删除：通过后台任务周期性地检测并删除过期键。
- 主动删除：在内存使用接近最大限制时触发，扫描所有键并删除过期键。

定期删除activeExpireCycle函数详细解析

void activeExpireCycle(int type) {
    static unsigned int current_db = 0;  // 记录上一次处理的数据库索引
    static int timelimit_exit = 0;       // 用于指示是否超出时间限制
    unsigned int j;
    // 每次要处理的数据库数量
    unsigned int dbs_per_call = CRON_DBS_PER_CALL;
    long long start = ustime();          // 开始时间
    long long timelimit;                 // 时间限制

    if (type == ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_FAST) {
        /* Fast cycle: 1 ms */
        timelimit = 1000;
    } else {
        /* Slow cycle: 25% CPU time p. DB / Configurable percentage. */
        timelimit = server.hz < 100 ? 1000 : 10;
        if (server.active_expire_effort != 1)
            timelimitUKzOiXthNj *= server.active_expire_effort-1;
        timelimit /= server.dbnum;
        timelimit_exit = 0;
    }

    for (j = 0; j < dbs_per_call; j++) {
        redisDb *db = server.db + (current_db % server.dbnum);
        current_db++;
        int expired, sampled;

        do {
            long now = mstime();
            expireEntry *de;
            dictEntry *d;

            /* Sample a few keys in the database */
            expired = 0;
            sampled = 0;
            while ((de = dictGetRandomKey(db->expires)) != NULL &&
                   mstime() - now < timelimit) {
                long long ttl = dictGetSignedIntegerVal(de) - mstime();
                if (ttl < 0) {
                    d = dictFind(db->dict, dictGetKey(de));
                    dbDelete(db, dictGetKey(d));
                    server.stat_expiredkeys++;
                    expired++;
                }
                sampled++;
            }
        } while (expired > ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_LOOKUPS_PER_LOOP / 2);

        elapsed = ustime() - start;
        if (elapsed > timelimit) {
            timelimit_exit = 1;
            break;
        }
    }
}

关键步骤解析

1. 初始化变量

static unsigned int current_db = 0;
static int timelimit_exit = 0;
unsigned int j;
unsigned int dbs_per_call = CRON_DBS_PER_CALL;
long long start = ustime();
long long timelimit;

current_db：静态变量，用于记录上一次处理的数据库索引。
timelimit_exit：用于指示是否耗尽了时间配额，防止无限循环。
dbs_per_call：每次扫描的数据库数量，通常由配置决定。
start：记录开始执行此函数的时间戳。
timelimit：本次调用允许消耗的最大时间（以微秒为单位）。

2. 确定时间限制

if (type == ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_FAST) {
    timelimit = 1000;  // 快速模式：1 毫秒
} else {
    timelimit = server.hz < 100 ? 1000 : 10;
    if (server.active_expire_effort != 1)
        timelimit *= server.active_expire_effort - 1;
    timelimit /= server.dbnum;
    timelimit_exit = 0;
}

如果是快速模式，时间限制为 1 毫秒。
如果是慢速模式，时间限制根据 Redis 配置和当前服务器负载情况计算。
server.active_expire_effort 参数可以调整过期键清理的力度。

3. 遍历数据库

每次调用 activeExpireCycle 时，会遍历一定数量的数据库，并在每个数据库中随机抽取键进行过期检查和删除。

for (j = 0; j < dbs_per_call; j++) {
    redisDb *db = server.db + (current_db % server.dbnum);
    current_db++;
    int expired, sampled;

    do {
        long now = mstime();
        expireEntry *de;
        dictEntry *d;

        expired = 0;
        sampled = 0;
        while ((de = dictGetRandomKey(db->expires)) != NULL &&
               mstime() - now < timelimit) {
            long long ttl = dictGetSignedIntegerVal(de) - mstime();
            if (ttl < 0) {
                d = dictFind(db->dict, dictGetKey(de));
                dbDelete(db, dictGetKey(d));
                server.stat_expiredkeys++;
                expired++;
            }
            sampled++;
        }
    } while (expired > ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_LOOKUPS_PER_LOOP / 2);

    elapsed = ustime() - start;
    if (elapsed > timelimit) {
        timelimit_exit = 1;
        break;
    }
}

关键点解析：

选择数据库：

redisDb *db = server.db + (current_db % server.dbnum);
current_db++;

使用循环方式选择下一个要检查的数据库实例。current_db 记录上一次处理的数据库索引，通过取模操作确保索引在有效范围内。

初始化变量：

int expired, sampled;
expired = 0;
sampled = 0;

过期检查循环：

while ((de = dictGetRandomKey(db->expires)) != NULL && mstime() - now < timelimit) {
    long long ttl = dictGetSignedIntegerVal(de) - mstime();
    if (ttl < 0) {
        d = dictFind(db->dict, dictGetKey(de));
        dbDelete(db, dictGetKey(d));
        server.stat_expiredkeys++;
        expired++;
    }
    sampled++;
}

- 从 expires 字典中随机获取一个键 de。
- 检查当前时间是否超过了本次周期的时间限制 timelimit。
- 如果键已经过期（ttl < 0），则删除该键，并增加已过期键的计数器 expired。
- 增加已检查键的计数器 sampled。

多轮过期检查：

do {
    ...
} while (expired > ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_LOOKUPS_PER_LOOP / 2);

如果在一轮检查中删除的过期键数量超过预设值的一半，则继续下一轮检查。

4. 时间限制检查

在每次处理完一个数据库后，检查是否超出时间限制：

elapsed = ustime() - start;
if (elapsed > timelimit) {
    timelimit_exit = 1;
    break;
}

计算已耗费的时间 elapsed。
如果已耗费时间超过 timelimit，设置 timelimit_exit 为 1 并跳出循环。

总结

Redis 的 activeExpireCycle 函数通过以下步骤实现定期删除过期键：

初始化变量并确定时间限制：根据当前的模式（快速或慢速）和配置参数，计算本次函数调用的时间限制。
遍历数据库：循环遍历一定数量的数据库。
过期检查与删除：从每个数据库中随python机抽取键，检查其是否过期并进行删除，直到达到时间限制或删除了一定数量的过期键。
时间限制检查：确保函数不会超出规定的时间配额，以避免影响 Redis 的其他操作。

AOF、RDB和复制功能对过期键的处理

在 Redis 中，AOF（Append Only File）、RDB（Redis DataBase）和复制（Replication）功能对过期键的处理方式有所不同。下面详细介绍这些机制如何处理过期键：

AOF 持久化

记录过期时间：
- 在 AOF 文件中，除了写入每个键值的设置操作外，还会写入 EXPIRE 或 PEXPIRE 命令来记录键的过期时间。
重写（Rewrite）过程：
- 当 AOF 文件需要重写时，Redis 会检查每个键，如果键已过期，则不会将其写入新的 AOF 文件。
加载 AOF 文件：
- 当 Redis 重启并加载 AOF 文件时，会执行文件中的所有命令，包括设置键值和设置过期时间的命令。如果某些键已经过期，这些键会立即被删除。

RDB 持久化

保存快照：
- 当 Redis 创建 RDB 快照时，它会将所有键及其剩余的过期时间一起保存到快照文件中。
加载快照：
- 当 Redis 从 RDB 文件恢复数据时，会载入所有键值对，同时载入它们的过期时间。如果某个键在载入时已经过期，Redis 会立即将其删除。

复制（Replication）

主从同步：
- 在主从复制架构中，主节点会将过期键的删除操作传播给从节点。
- 如果一个键在主节点上过期并被删除，主节点会向从节点发送 DEL 操作，从而在从节点上也删除该键。
延迟过期：
- 从节点可能因为网络延迟等原因，对过期键的处理会稍有滞后，但最终主从节点的数据将保持一致。

总结

AOF:
- 通过记录 EXPIRE/PEXPIRE 命令来处理过期时间。
- 在重写过程中跳过已过期的键。
- 加载时删除已过期的键。
RDB:
- 将过期时间与键值一起保存。
- 加载时立即删除已过期的键。
复UKzOiXthNj制:
- 主节点将删除过期键的操作同步到从节点。
- 确保主从节点数据的一致性。

以上就是Redis过期时间的设计与实现代码的详细内容，更多关于Redis过期时间的资料请关注编程客栈(www.devze.com)其它相关文章！

继续阅读：Redis时间 Redis过期 Redis过期时间设计实现

Redis过期时间的设计与实现代码

目录

1. 设置过期时间

示例：

2. 过期键的存储结构

3. 设置过期时间

4. 删除过期键的策略

5. 检查并删除过期键

6. 获取过期时间

总结

定期删除activeExpireCycle函数详细解析

关键步骤解析

1. 初始化变量

2. 确定时间限制

3. 遍历数据库

关键点解析：

4. 时间限制检查

总结

AOF、RDB和复制功能对过期键的处理

AOF 持久化

RDB 持久化

复制（Replication）

总结

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