Redis内存策略

Redis占用内存大小

我们知道Redis是基于内存的key-value数据库，因为系统的内存大小有限，所以我们在使用Redis的时候可以配置Redis能使用的最大的内存大小。

1、通过配置文件配置

通过在Redis安装目录下面的redis.conf配置文件中添加以下配置设置内存大小

//设置Redis最大占用内存大小为100M
maxmemory 100mb
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redis的配置文件不一定使用的是安装目录下面的redis.conf文件，启动redis服务的时候是可以传一个参数指定redis的配置文件的

2、通过命令修改

Redis支持运行时通过命令动态修改内存大小

//设置Redis最大占用内存大小为100M
127.0.0.1:6379> config set maxmemory 100mb
//获取设置的Redis能使用的最大内存大小
127.0.0.1:6379> config get maxmemory
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如果不设置最大内存大小或者设置最大内存大小为0，在64位操作系统下不限制内存大小，在32位操作系统下最多使用3GB内存

Redis的内存淘汰

既然可以设置Redis最大占用内存大小，那么配置的内存就有用完的时候。那在内存用完的时候，还继续往Redis里面添加数据不就没内存可用了吗？

实际上Redis定义了几种策略用来处理这种情况：

noeviction(默认策略)：对于写请求不再提供服务，直接返回错误（DEL请求和部分特殊请求除外）

allkeys-lru：从所有key中使用LRU算法进行淘汰

volatile-lru：从设置了过期时间的key中使用LRU算法进行淘汰

allkeys-random：从所有key中随机淘汰数据

volatile-random：从设置了过期时间的key中随机淘汰

volatile-ttl：在设置了过期时间的key中，根据key的过期时间进行淘汰，越早过期的越优先被淘汰

当使用volatile-lru、volatile-random、volatile-ttl这三种策略时，如果没有key可以被淘汰，则和noeviction一样返回错误

如何获取及设置内存淘汰策略

获取当前内存淘汰策略：

127.0.0.1:6379> config get maxmemory-policy
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通过配置文件设置淘汰策略（修改redis.conf文件）：

maxmemory-policy allkeys-lru
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通过命令修改淘汰策略：

127.0.0.1:6379> config set maxmemory-policy allkeys-lru
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LRU算法

什么是LRU?

上面说到了Redis可使用最大内存使用完了，是可以使用LRU算法进行内存淘汰的，那么什么是LRU算法呢？

LRU(Least Recently Used)，即最近最少使用，是一种缓存置换算法。在使用内存作为缓存的时候，缓存的大小一般是固定的。当缓存被占满，这个时候继续往缓存里面添加数据，就需要淘汰一部分老的数据，释放内存空间用来存储新的数据。这个时候就可以使用LRU算法了。其核心思想是：如果一个数据在最近一段时间没有被用到，那么将来被使用到的可能性也很小，所以就可以被淘汰掉。

使用java实现一个简单的LRU算法

public class LRUCache<k, v> {
    //容量
    private int capacity;
    //当前有多少节点的统计
    private int count;
    //缓存节点
    private Map<k, Node<k, v>> nodeMap;
    private Node<k, v> head;
    private Node<k, v> tail;
<span class="hljs-function"><span class="hljs-keyword">public</span> <span class="hljs-title">LRUCache</span><span class="hljs-params">(<span class="hljs-keyword">int</span> capacity)</span> </span>{
    <span class="hljs-keyword">if</span> (capacity &lt; <span class="hljs-number">1</span>) {
        <span class="hljs-keyword">throw</span> <span class="hljs-keyword">new</span> IllegalArgumentException(String.valueOf(capacity));
    }
    <span class="hljs-keyword">this</span>.capacity = capacity;
    <span class="hljs-keyword">this</span>.nodeMap = <span class="hljs-keyword">new</span> HashMap&lt;&gt;();
    <span class="hljs-comment">//初始化头节点和尾节点，利用哨兵模式减少判断头结点和尾节点为空的代码</span>
    Node headNode = <span class="hljs-keyword">new</span> Node(<span class="hljs-keyword">null</span>, <span class="hljs-keyword">null</span>);
    Node tailNode = <span class="hljs-keyword">new</span> Node(<span class="hljs-keyword">null</span>, <span class="hljs-keyword">null</span>);
    headNode.next = tailNode;
    tailNode.pre = headNode;
    <span class="hljs-keyword">this</span>.head = headNode;
    <span class="hljs-keyword">this</span>.tail = tailNode;
}

<span class="hljs-function"><span class="hljs-keyword">public</span> <span class="hljs-keyword">void</span> <span class="hljs-title">put</span><span class="hljs-params">(k key, v value)</span> </span>{
    Node&lt;k, v&gt; node = nodeMap.get(key);
    <span class="hljs-keyword">if</span> (node == <span class="hljs-keyword">null</span>) {
        <span class="hljs-keyword">if</span> (count &gt;= capacity) {
            <span class="hljs-comment">//先移除一个节点</span>
            removeNode();
        }
        node = <span class="hljs-keyword">new</span> Node&lt;&gt;(key, value);
        <span class="hljs-comment">//添加节点</span>
        addNode(node);
    } <span class="hljs-keyword">else</span> {
        <span class="hljs-comment">//移动节点到头节点</span>
        moveNodeToHead(node);
    }
}

<span class="hljs-function"><span class="hljs-keyword">public</span> Node&lt;k, v&gt; <span class="hljs-title">get</span><span class="hljs-params">(k key)</span> </span>{
    Node&lt;k, v&gt; node = nodeMap.get(key);
    <span class="hljs-keyword">if</span> (node != <span class="hljs-keyword">null</span>) {
        moveNodeToHead(node);
    }
    <span class="hljs-keyword">return</span> node;
}

<span class="hljs-function"><span class="hljs-keyword">private</span> <span class="hljs-keyword">void</span> <span class="hljs-title">removeNode</span><span class="hljs-params">()</span> </span>{
    Node node = tail.pre;
    <span class="hljs-comment">//从链表里面移除</span>
    removeFromList(node);
    nodeMap.remove(node.key);
    count--;
}

<span class="hljs-function"><span class="hljs-keyword">private</span> <span class="hljs-keyword">void</span> <span class="hljs-title">removeFromList</span><span class="hljs-params">(Node&lt;k, v&gt; node)</span> </span>{
    Node pre = node.pre;
    Node next = node.next;

    pre.next = next;
    next.pre = pre;

    node.next = <span class="hljs-keyword">null</span>;
    node.pre = <span class="hljs-keyword">null</span>;
}

<span class="hljs-function"><span class="hljs-keyword">private</span> <span class="hljs-keyword">void</span> <span class="hljs-title">addNode</span><span class="hljs-params">(Node&lt;k, v&gt; node)</span> </span>{
    <span class="hljs-comment">//添加节点到头部</span>
    addToHead(node);
    nodeMap.put(node.key, node);
    count++;
}

<span class="hljs-function"><span class="hljs-keyword">private</span> <span class="hljs-keyword">void</span> <span class="hljs-title">addToHead</span><span class="hljs-params">(Node&lt;k, v&gt; node)</span> </span>{
    Node next = head.next;
    next.pre = node;
    node.next = next;
    node.pre = head;
    head.next = node;
}

<span class="hljs-function"><span class="hljs-keyword">public</span> <span class="hljs-keyword">void</span> <span class="hljs-title">moveNodeToHead</span><span class="hljs-params">(Node&lt;k, v&gt; node)</span> </span>{
    <span class="hljs-comment">//从链表里面移除</span>
    removeFromList(node);
    <span class="hljs-comment">//添加节点到头部</span>
    addToHead(node);
}

<span class="hljs-class"><span class="hljs-keyword">class</span> <span class="hljs-title">Node</span>&lt;<span class="hljs-title">k</span>, <span class="hljs-title">v</span>&gt; </span>{
    k key;
    v value;
    Node pre;
    Node next;

    <span class="hljs-function"><span class="hljs-keyword">public</span> <span class="hljs-title">Node</span><span class="hljs-params">(k key, v value)</span> </span>{
        <span class="hljs-keyword">this</span>.key = key;
        <span class="hljs-keyword">this</span>.value = value;
    }
}

}
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上面这段代码实现了一个简单的LUR算法，代码很简单，也加了注释，仔细看一下很容易就看懂。

LRU在Redis中的实现

近似LRU算法

Redis使用的是近似LRU算法，它跟常规的LRU算法还不太一样。近似LRU算法通过随机采样法淘汰数据，每次随机出5（默认）个key，从里面淘汰掉最近最少使用的key。

可以通过maxmemory-samples参数修改采样数量： 例：maxmemory-samples 10 maxmenory-samples配置的越大，淘汰的结果越接近于严格的LRU算法

Redis为了实现近似LRU算法，给每个key增加了一个额外增加了一个24bit的字段，用来存储该key最后一次被访问的时间。

Redis3.0对近似LRU的优化

Redis3.0对近似LRU算法进行了一些优化。新算法会维护一个候选池（大小为16），池中的数据根据访问时间进行排序，第一次随机选取的key都会放入池中，随后每次随机选取的key只有在访问时间小于池中最小的时间才会放入池中，直到候选池被放满。当放满后，如果有新的key需要放入，则将池中最后访问时间最大（最近被访问）的移除。

当需要淘汰的时候，则直接从池中选取最近访问时间最小（最久没被访问）的key淘汰掉就行。

LRU算法的对比

我们可以通过一个实验对比各LRU算法的准确率，先往Redis里面添加一定数量的数据n，使Redis可用内存用完，再往Redis里面添加n/2的新数据，这个时候就需要淘汰掉一部分的数据，如果按照严格的LRU算法，应该淘汰掉的是最先加入的n/2的数据。 生成如下各LRU算法的对比图（图片来源）：

• 浅灰色是被淘汰的数据
• 灰色是没有被淘汰掉的老数据
• 绿色是新加入的数据

我们能看到Redis3.0采样数是10生成的图最接近于严格的LRU。而同样使用5个采样数，Redis3.0也要优于Redis2.8。

LFU算法

LFU算法是Redis4.0里面新加的一种淘汰策略。它的全称是Least Frequently Used，它的核心思想是根据key的最近被访问的频率进行淘汰，很少被访问的优先被淘汰，被访问的多的则被留下来。

LFU算法能更好的表示一个key被访问的热度。假如你使用的是LRU算法，一个key很久没有被访问到，只刚刚是偶尔被访问了一次，那么它就被认为是热点数据，不会被淘汰，而有些key将来是很有可能被访问到的则被淘汰了。如果使用LFU算法则不会出现这种情况，因为使用一次并不会使一个key成为热点数据。

LFU一共有两种策略：

• volatile-lfu：在设置了过期时间的key中使用LFU算法淘汰key
• allkeys-lfu：在所有的key中使用LFU算法淘汰数据

设置使用这两种淘汰策略跟前面讲的一样，不过要注意的一点是这两周策略只能在Redis4.0及以上设置，如果在Redis4.0以下设置会报错

问题

最后留一个小问题，可能有的人注意到了，我在文中并没有解释为什么Redis使用近似LRU算法而不使用准确的LRU算法，可以在评论区给出你的答案，大家一起讨论学习。

参考文献：

redis.io/topics/lru-…

segmentfault.com/a/119000001…

segmentfault.com/a/119000001…