Redis07-Redis键过期时间设置以及过期键删除策略

前言

上一篇我们介绍了Redis06-Redis的数据库与键空间，这一篇我们介绍一下Redis数据库中如何给键设置过期时间，以及过期键删除策略。

键的过期时间如何设置？

在Redis中我们可以通过四个不同的命令来给键设置过期时间，分别是：

1. EXPIRE <key> <ttl> 命令用于将键key的生存时间设置成ttl秒。（TTL的意思是 Time To Live）
2. PEXPIRE <key> <ttl> 命令将键key的生存时间设置成ttl毫秒。
3. PEXPIREAT <key> <timestamp> 命令用于将键key的过期时间设置为timestamp锁所指定的秒数时间戳。
4. PEXPIREAT <key> <timestamp> 命令用于将键key的过期时间设置为timestamp所指定的毫秒数时间戳。
   虽然有多种不同单位和不同形式的设置命令，但实际上EXPIRE、PEXPIRE、EXPIREAT三个命令都是使用PEXPIREAT命令来实现的。无论客户端执行的是以上四个命令中的哪一个，经过转换之后，最终的执行结果都和执行PEXPIREAT命令一样。

过期时间如何保存？

redisDb结构的expires字典保存了数据库中所有键的过期时间，我们称这个字典为过期字典，过期字典的键是一个指针，这个指针指向键空间中的某个键对象（也即是某个数据库键），键空间的键和过期字典的键都是指向同一个键对象。另外，过期字典的值是一个long long类型的整数，这个整数保存了键所指向的数据库键的过期时间，该过期时间是一个毫秒精度的UNIX的时间戳。

这里的时间戳 1600341444018 表示到 2020-09-17 19:20:30秒是键message的过期时间。

过期键如何判定呢？

检查一个键是否过期的判定步骤主要有两步：

1. 检查给定键是否存在于过期时间，如果存在，那么取键的过期时间。
2. 检查当前UNIX时间戳是否大于键的过期时间，如果是的话，那么键已经过期，否则键未过期。
   用伪代码描述如下：

   def is_expired(key): #取得键的过期时间
		expire_time_in_ms=redisDb.expries.get(key)
		#键没有设置过期时间
		if expire_time_in_ms is None: return false
		#取得当前时间的UNIX时间戳
		now_ms=get_current_unix_timestamp_in_ms()
		#检查当前时间是否大于键的过期时间
		if now_ms>expire_time_in_ms: #是，键已经过期 return true
		else: #否，键未过期 return false

  

 

  
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实现过期键判定的另一种方法是使用TTL命令或者PTTL命令，比如说，如果对某个键执行TTL命令，并且命令返回的值大于等于0，那么说明该键未过期，在实际中，Redis检查键是否过期的方法和is_expireed函数所描述的方法一致，因为直接访问字典比执行一个命令稍快一些。

如何自动删除带过期时间的键？

通过前面的介绍，我们知道了数据库键的过期时间都是保存在过期字典中，又知道了如何根据过期时间去判断一个键是否过期， 现在需要考虑的一个问题是，如果一个键过期了，那么它什么时候会被删除呢?
这个问题有三种可能的答案，他们分别代表了三种不同的删除策略：

1. 定时删除：在设置键的过期时间的同时，创建一个定时器（timer），让定时器在键的过期时间来临时，立即执行对键的删除操作。这种策略可以保证过期键会被尽快地被删除，并释放过期键所占用的内存。但是它对CPU时间是最不友好的，在过期键比较多的情况下，删除过期键这一行为可能会占用相当一部分CPU时间，无疑会对服务器的响应时间和吞吐量造成影响。
2. 惰性删除：放任键过期不管，但是每次从键空间中获取键时，都会检查取得的键是否过期，如果过期的话，就会删除该键，如果没有过期，就返回该键。该策略对CPU时间来说是最友好的，程序只会在取出键时才会对键进行过期检查，这可以保证删除过期键的操作只会在非做不可的情况下进行。但是它的缺点就是对内存是最不友好的，如果一个键已经过期，而这个键又仍然保留在数据库中，那么只要这个过期键不被删除，它所占用的内存就不会被释放。
3. 定期删除：每隔一段时间（默认是每隔100ms），会扫描一定数量的数据库的expires字典中的一定数量的key。并清除其中已过期的key。该策略是前两者的一个折中方案。通过调整定时扫描的时间间隔和每次扫描的限定耗时，可以在不同情况下使得CPU和内存资源达到最优的平衡效果。
   Redis中同时使用了惰性过期和定期过期两种过期策略。

总结

本文主要从Redis键过期时间的设置，过期时间的保存以及过期键的删除策略四个方面对Redis中键过期时间进行了阐述。

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