Redis内存淘汰策略——LFU(Least Frequently Used)

1、简介

LRU有一个明显的缺点，它无法正确的表示一个Key的热度，如果一个key从未被访问过，仅仅发生内存淘汰的前一会儿被用户访问了一下，在LRU算法中这会被认为是一个热key。

例如如下图，keyA与keyB同时被set到Redis中，在内存淘汰发生之前，keyA被频繁的访问，而keyB只被访问了一次，但是这次访问的时间比keyA的任意一次访问时间都更接近内存淘汰触发的时间，如果keyA与keyB均被Redis选中进行淘汰，keyA将被优先淘汰。我想大家都不太希望keyA被淘汰吧，那么有没有更好的的内存淘汰机制呢？当然有，那就是LFU。

LFU(Least Frequently Used)是Redis 4.0 引入的淘汰算法，它通过key的访问频率比较来淘汰key，重点突出的是Frequently Used。

LRU与LFU的区别：

• LRU -> Recently Used，根据最近一次访问的时间比较
• LFU -> Frequently Used，根据key的访问频率比较

Redis4.0之后为maxmemory_policy淘汰策略添加了两个LFU模式（LRU请看我上一篇文章）：

• volatile-lfu：对有过期时间的key采用LFU淘汰算法
• allkeys-lfu：对全部key采用LFU淘汰算法

2、实现方式

Redis分配一个字符串的最小空间占用是19字节，16字节（对象头）+3字节（SDS基本字段）。Redis的内存淘汰算法LRU/LFU均依靠其中的对象头中的lru来实现。

Redis对象头的内存结构：

typedef struct redisObject {
	unsigned type:4;		// 4 bits 对象的类型（zset、set、hash等）
    unsigned encoding:4;	// 4 bits 对象的存储方式（ziplist、intset等）
    unsigned lru:24;		// 24bits 记录对象的访问信息
    int refcount;			// 4 bytes 引用计数
    void *ptr;				// 8 bytes （64位操作系统），指向对象具体的存储地址/对象body
}

Redis对象头中的lru字段，在LRU模式下和LFU模式下使用方式并不相同。

2.1 LRU实现方式

在LRU模式，lru字段存储的是key被访问时Redis的时钟server.lrulock（Redis为了保证核心单线程服务性能，缓存了Unix操作系统时钟，默认每毫秒更新一次，缓存的值是Unix时间戳取模2^24）。当key被访问的时候，Redis会更新这个key的对象头中lru字段的值。

因此在LRU模式下，Redis可以根据对象头中的lru字段记录的值，来比较最后一次key的访问时间。

用Java代码演示一个简单的Redis-LRU算法：

• Redis对象头

package com.lizba.redis.lru;

/**
 * <p>
 *      Redis对象头
 * </p>
 *
 * @Author: Liziba
 * @Date: 2021/9/22 22:40
 */
public class RedisHead {

    /** 时间 */
    private Long lru;
    /** 具体数据 */
    private Object body;

    public RedisHead setLru(Long lru) {
        this.lru = lru;
        return this;
    }

    public RedisHead setBody(Object body) {
        this.body = body;
        return this;
    }


    public Long getLru() {
        return lru;
    }

    public Object getBody() {
        return body;
    }

}

• Redis LRU实现代码

package com.lizba.redis.lru;

import java.util.Comparator;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
import java.util.stream.Collectors;

/**
 * <p>
 * Redis中LRU算法的实现demo
 * </p>
 *
 * @Author: Liziba
 * @Date: 2021/9/22 22:36
 */
public class RedisLruDemo {

    /**
     * 缓存容器
     */
    private ConcurrentHashMap<String, RedisHead> cache;
    /**
     * 初始化大小
     */
    private int initialCapacity;

    public RedisLruDemo(int initialCapacity) {
        this.initialCapacity = initialCapacity;
        this.cache = new ConcurrentHashMap<>(initialCapacity);
        ;
    }

    /**
     * 设置key/value 设置的时候更新LRU
     *
     * @param key
     * @param body
     */
    public void set(String key, Object body) {
        // 触发LRU淘汰
        synchronized (RedisLruDemo.class) {
            if (!cache.containsKey(key) && cache.size() >= initialCapacity) {
                this.flushLruKey();
            }
        }
        RedisHead obj = this.getRedisHead().setBody(body).setLru(System.currentTimeMillis());
        cache.put(key, obj);
    }


    /**
     * 获取key，存在则更新LRU
     *
     * @param key
     * @return
     */
    public Object get(String key) {

        RedisHead result = null;
        if (cache.containsKey(key)) {
            result = cache.get(key);
            result.setLru(System.currentTimeMillis());
        }

        return result;
    }


    /**
     * 清除LRU key
     */
    private void flushLruKey() {

        List<String> sortData = cache.keySet()
                .stream()
                .sorted(Comparator.comparing(key -> cache.get(key).getLru()))
                .collect(Collectors.toList());
        String removeKey = sortData.get(0);
        System.out.println( "淘汰 -> " + "lru : " + cache.get(removeKey).getLru() + " body : " + cache.get(removeKey).getBody());
        cache.remove(removeKey);
        if (cache.size() >= initialCapacity) {
            this.flushLruKey();
        }
        return;
    }


    /**
     *  获取所有数据测试用
     *
     * @return
     */
    public List<RedisHead> getAll() {
         return cache.keySet().stream().map(key -> cache.get(key)).collect(Collectors.toList());
    }


    private RedisHead getRedisHead() {
        return new RedisHead();
    }

}

• 测试代码

package com.lizba.redis.lru;

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * <p>
 *      测试LRU
 * </p>
 *
 * @Author: Liziba
 * @Date: 2021/9/22 22:51
 */
public class TestRedisLruDemo {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        RedisLruDemo demo = new RedisLruDemo(10);
        // 先加入10个key，此时cache达到容量，下次加入会淘汰key
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            demo.set(i + "", i);
        }
        // 随机访问前十个key，这样可以保证下次加入时随机淘汰
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            int nextInt = new Random().nextInt(10);
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            demo.get(nextInt + "");
        }
        // 再次添加5个key，此时每次添加都会触发淘汰
        for (int i = 10; i < 15; i++) {
            demo.set(i + "", i);
        }

        System.out.println("-------------------------------------------");
        demo.getAll().forEach( redisHead -> System.out.println("剩余 -> " + "lru : " + redisHead.getLru() + " body : " + redisHead.getBody()));
    }

}

• 测试结果

2.2 LFU实现方式

在LFU模式下，Redis对象头的24bit lru字段被分成两段来存储，高16bit存储ldt(Last Decrement Time)，低8bit存储logc(Logistic Counter)。

2.2.1 ldt(Last Decrement Time)

高16bit用来记录最近一次计数器降低的时间，由于只有8bit，存储的是Unix分钟时间戳取模2^16，16bit能表示的最大值为65535（65535/24/60≈45.5），大概45.5天会折返（折返指的是取模后的值重新从0开始）。

Last Decrement Time计算的算法源码：

/* Return the current time in minutes, just taking the least significant
 * 16 bits. The returned time is suitable to be stored as LDT (last decrement
 * time) for the LFU implementation. */
// server.unixtime是Redis缓存的Unix时间戳
// 可以看出使用的Unix的分钟时间戳，取模2^16
unsigned long LFUGetTimeInMinutes(void) {
  return (server.unixtime/60) & 65535;
}

/* Given an object last access time, compute the minimum number of minutes
 * that elapsed since the last access. Handle overflow (ldt greater than
 * the current 16 bits minutes time) considering the time as wrapping
 * exactly once. */
unsigned long LFUTimeElapsed(unsigned long ldt) {
  // 获取系统当前的LFU time
  unsigned long now = LFUGetTimeInMinutes();
  // 如果now >= ldt 直接取差值  
  if (now >= ldt) return now-ldt;
  // 如果now < ldt 增加上65535
  // 注意Redis 认为折返就只有一次折返，多次折返也是一次，我思考了很久感觉这个应该是可以接受的，本身Redis的淘汰算法就带有随机性  
  return 65535-ldt+now;
}

2.2.2 logc(Logistic Counter)

低8位用来记录访问频次，8bit能表示的最大值为255，logc肯定无法记录真实的Rediskey的访问次数，其实从名字可以看出存储的是访问次数的对数值，每个新加入的key的logc初始值为5（LFU_INITI_VAL），这样可以保证新加入的值不会被首先选中淘汰；logc每次key被访问时都会更新；此外，logc会随着时间衰减。

2.2.3 logc 算法调整

redis.conf 提供了两个配置项，用于调整LFU的算法从而控制Logistic Counter的增长和衰减。

• lfu-log-factor 用于调整Logistic Counter的增长速度，lfu-log-factor值越大，Logistic Counter增长越慢。

Redis Logistic Counter增长的源代码：

/* Logarithmically increment a counter. The greater is the current counter value
 * the less likely is that it gets really implemented. Saturate it at 255. */
uint8_t LFULogIncr(uint8_t counter) {
  // Logistic Counter最大值为255  
  if (counter == 255) return 255;
  // 取一个0~1的随机数r  
  double r = (double)rand()/RAND_MAX;
  // counter减去LFU_INIT_VAL （LFU_INIT_VAL为每个key的Logistic Counter初始值，默认为5）
  double baseval = counter - LFU_INIT_VAL;
  // 如果衰减之后已经小于5了，那么baseval < 0取0
  if (baseval < 0) baseval = 0;
  // lfu-log-factor在这里被使用
  // 可以看出如果lfu_log_factor的值越大，p越小
  // r < p的概率就越小，Logistic Counter增加的概率就越小（因此lfu_log_factor越大增长越缓慢）
  double p = 1.0/(baseval*server.lfu_log_factor+1);
  if (r < p) counter++;
  return counter;
}

如下是官网提供lfu-log-factor在不同值下，key随着访问次数的增加的Logistic Counter变化情况的数据：

• lfu-decay-time 用于调整Logistic Counter的衰减速度，它是一个以分钟为单位的数值，默认值为1,；lfu-decay-time值越大，衰减越慢。

Redis Logistic Counter衰减的源代码：

/* If the object decrement time is reached decrement the LFU counter but
 * do not update LFU fields of the object, we update the access time
 * and counter in an explicit way when the object is really accessed.
 * And we will times halve the counter according to the times of
 * elapsed time than server.lfu_decay_time.
 * Return the object frequency counter.
 *
 * This function is used in order to scan the dataset for the best object
 * to fit: as we check for the candidate, we incrementally decrement the
 * counter of the scanned objects if needed. */
unsigned long LFUDecrAndReturn(robj *o) {
  // 获取lru的高16位，也就是ldt
  unsigned long ldt = o->lru >> 8;  
  // 获取lru的低8位，也就是logc  
  unsigned long counter = o->lru & 255;
  // 根据配置的lfu-decay-time计算Logistic Counter需要衰减的值
  unsigned long num_periods = server.lfu_decay_time ? LFUTimeElapsed(ldt) / server.lfu_decay_time : 0;
  if (num_periods)
    counter = (num_periods > counter) ? 0 : counter - num_periods;
  return counter;
}

2.2.4 LFU 优化

LFU 与 LRU 有一个共同点，当内存达到max_memory时，选择key是随机抓取的，因此Redis为了使这种随机性更加准确，设计了一个淘汰池，这个淘汰池对于LFU和LRU算的都适应，只是淘汰池的排序算法有区别而已。

Redis 3.0就对这一块进行了优化（来自redis.io）：

3、LFU使用

3.1 配置文件开启LFU淘汰算法

修改redis.conf配置文件，设置maxmemory-policy volatile-lfu/allkeys-lfu

重启Redis，连接客户端通过info指令查看maxmemory_policy的配置信息

通过object freq key 获取对象的LFU的Logistic Counter值