将 redis 用作缓存时, 如果内存空间用满, 就会自动驱逐老的数据。 默认情况下 memcached 就是这种方式, 大部分开发者都比较熟悉。

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LRU是Redis唯一支持的回收算法. 本文详细介绍用于限制最大内存使用量的 maxmemory 指令, 并深入讲解 Redis 所使用的近似LRU算法。

maxmemory 配置指令

maxmemory 用于指定 Redis 能使用的最大内存。既可以在 redis.conf 文件中设置, 也可以在运行过程中通过 CONFIG SET 命令动态修改。

例如, 要设置 100MB 的内存限制, 可以在 redis.conf 文件中这样配置：

maxmemory 100mb

将 maxmemory 设置为 0, 则表示不进行内存限制。当然, 对32位系统来说有一个隐性的限制条件: 最多 3GB 内存。

当内存使用达到最大限制时, 如果需要存储新数据, 根据配置的策略(policies)的不同, Redis可能直接返回错误信息, 或者删除部分老的数据。

驱逐策略

达到最大内存限制时(maxmemory), Redis 根据 maxmemory-policy 配置的策略, 来决定具体的行为。

当前版本,Redis 3.0 支持的策略包括:

noeviction: 不删除策略, 达到最大内存限制时, 如果需要更多内存, 直接返回错误信息。 大多数写命令都会导致占用更多的内存(有极少数会例外, 如 DEL )。

allkeys-lru: 所有key通用; 优先删除最近最少使用(less recently used ,LRU) 的 key。

volatile-lru: 只限于设置了 expire 的部分; 优先删除最近最少使用(less recently used ,LRU) 的 key。

allkeys-random: 所有key通用; 随机删除一部分 key。

volatile-random: 只限于设置了 expire 的部分; 随机删除一部分 key。

volatile-ttl: 只限于设置了 expire 的部分; 优先删除剩余时间(time to live,TTL) 短的key。

如果没有设置 expire 的key, 不满足先决条件(prerequisites); 那么 volatile-lru, volatile-random 和 volatile-ttl 策略的行为, 和 noeviction(不删除) 基本上一致。

您需要根据系统的特征, 来选择合适的驱逐策略。 当然, 在运行过程中也可以通过命令动态设置驱逐策略, 并通过 INFO 命令监控缓存的 miss 和 hit, 来进行调优。

一般来说:

如果分为热数据与冷数据, 推荐使用 allkeys-lru 策略。 也就是, 其中一部分key经常被读写. 如果不确定具体的业务特征, 那么 allkeys-lru 是一个很好的选择。

如果需要循环读写所有的key, 或者各个key的访问频率差不多, 可以使用 allkeys-random 策略, 即读写所有元素的概率差不多。

假如要让 Redis 根据 TTL 来筛选需要删除的key, 请使用 volatile-ttl 策略。

volatile-lru 和 volatile-random 策略主要应用场景是: 既有缓存,又有持久key的实例中。 一般来说, 像这类场景, 应该使用两个单独的 Redis 实例。

值得一提的是, 设置 expire 会消耗额外的内存, 所以使用 allkeys-lru 策略, 可以更高效地利用内存, 因为这样就可以不再设置过期时间了。

驱逐的内部实现

驱逐过程可以这样理解:

客户端执行一个命令, 导致 Redis 中的数据增加,占用更多内存。

Redis 检查内存使用量, 如果超出 maxmemory 限制, 根据策略清除部分 key。

继续执行下一条命令, 以此类推。

在这个过程中, 内存使用量会不断地达到 limit 值, 然后超过, 然后删除部分 key, 使用量又下降到 limit 值之下。

如果某个命令导致大量内存占用(比如通过新key保存一个很大的set), 在一段时间内, 可能内存的使用量会明显超过 maxmemory 限制。

近似LRU算法

Redis 使用的并不是完全LRU算法。自动驱逐的 key , 并不一定是最满足LRU特征的那个. 而是通过近似LRU算法, 抽取少量的 key 样本, 然后删除其中访问时间最古老的那个key。

驱逐算法, 从 Redis 3.0 开始得到了巨大的优化, 使用 pool(池子) 来作为候选. 这大大提升了算法效率, 也更接近于真实的LRU算法。

在 Redis 的 LRU 算法中, 可以通过设置样本(sample)的数量来调优算法精度。 通过以下指令配置:

maxmemory-samples 5

为什么不使用完全LRU实现? 原因是为了节省内存。但 Redis 的行为和LRU基本上是等价的. 下面是 Redis LRU 与完全LRU算法的一个行为对比图。

测试过程中, 依次从第一个 key 开始访问, 所以最前面的 key 才是最佳的驱逐对象。

从图中可以看到三种类型的点, 构成了三个不同的条带。

浅灰色部分表示被驱逐的对象。

灰色部分表示 “未被驱逐” 的对象。

绿色部分表示后面加入的对象。

在纯粹的LRU算法实现中, 前半部分旧的key被释放了。而 Redis 的 LRU 算法只是将时间较长的 key 较大概率地(probabilistically)释放了。

如你所见, Redis 3.0 中, 5样本的效果比 Redis 2.8 要好很多。 当然, Redis 2.8 也不错,最后访问的key基本上都还留在内存中. 在 Redis 3.0 中使用 10 样本时, 已经非常接近纯粹的LRU算法了。

注意,LRU只是用来预测将来可能会继续访问某个key的一个概率模型. 此外,如果数据访问的情况符合幂律分布(power law), 那么对于大部分的请求来说, LRU都会表现良好。

在模拟中, 我们发现, 如果使用幂律方式访问, 纯粹的LRU和Redis的结果差别非常, 甚至看不出来。

当然也可以将样本数量提高到10, 以额外消耗一些CPU为代价, 使得结果更接近于真实的LRU, 并通过 cache miss 统计信息来判断差异。

设置样本大小很容易, 使用命令 CONFIG SET maxmemory-samples 即可

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