Redis多线程过期管理策略实践（redis过期 多线程）

随着互联网应用的发展，数据缓存技术的重要性日益凸显，Redis作为一个开源的分布式NoSQL数据库，在数据缓存方面的应用越来越普遍。其中一个非常重要的特性就是key的过期时间，Redis可以自动帮我们管理过期key的清理，从而避免了数据存储空间浪费的问题。但是，随着数据的增加，单线程方式下的key过期管理策略开始变得低效。那么Redis多线程过期管理策略实践就显得至关重要。

1. Redis单线程过期管理策略分析

Redis存储数据是采用字典结构的，每个键值对作为一个entry存在字典中。过期时间的管理也是采用了一个双向链表来维护。每个entry有一个指向这个链表结点的指针，而链表的每个结点表示一个过期时间，将entry插入到过期时间结点中的一个列表中，这样当某个entry的过期时间到来时，就只需要把它从双向链表和列表中删除即可。这个双向链表是由一个定时任务维护，每次都需要遍历链表，查找到已过期的结点，然后删除列表中的entry。

这个过程整个Redis由一个单线程来负责，并不是很高效，无法满足高并发对过期管理的要求。因此，需要通过一些优化手段来提高管理效率。

2. Redis多线程过期管理策略实现

Redis 4.0版本引入了“lazy-free”和“event-driven”机制，提供了多线程管理过期key的方案。当有过期key需要删除的时候，Redis将此事件放入一个专门执行此类的任务队列中，由多线程来处理。多线程可以并发扫描多个结点，这个过程主要采用切片的方式，将整个双向链表切成若干个区域，每个线程负责扫描其中的一个区域。当存在过期key的时候，该key会被加入到过期监控列表中，当列表的长度达到一个阈值时，多线程就开始清理过期key。

3. Redis多线程过期管理策略实验结果

为了验证多线程过期管理策略的效果，我们对Redis的性能进行了测试。测试环境为Redis 5.0，需要处理的key数目为1000万个。测试结果如下图所示：

从上图可以看出，多线程过期管理的效率大大提高，相比于单线程的方式，测试结果多了一个数量级的提升，完全达到了预期的目标。因此，在Redis高并发环境下，多线程过期管理策略应用是非常必要的。

参考代码：

#define REDIS_LRU_BITS 24
#define REDIS_LRU_CLOCK_MAX ((1
#define REDIS_LRU_CLOCK_RESOLUTION 1000
typedef struct RedisServer {
    /*....*/
    time_t unixtime;                                /* unix timestamp */
    long long mstime;                               /* milliseconds unix timestamp */
    /*....*/
    unsigned lruclock:REDIS_LRU_BITS;               /* Clock incrementing every minute, used for LRU management */
    /*....*/
    list *expires[REDIS_DBDICT_HT_INITIAL_SIZE];    /* 负责管理 expires 的字典 */
} redisServer;

typedef struct RedisDb {
    /*....*/
    int dict_hash_table_size;
    dict *dict;                                     /* 数据字典 */
    dict *expires;                                  /* 过期时间字典 */
    /*....*/
    unsigned long long avg_ttl;                     /* 平均过期时间 */
    unsigned long long expires_cursor;              /* 清理过期键的游标 */
    /*....*/
} redisDb;
typedef struct RedisObject {
    unsigned type:4;
    unsigned encoding:4;
    union {
        void *ptr;
        uint64_t integer;
        double d;
    } val;
    size_t refcount;
    unsigned char *ptr; /* Used for SDS and string objects. */
    int len; /* Used only for SDS objects. */
} robj;
typedef struct dictEntry {
    void *key;          /* 键的指针 */
    union {             /* 值的指针 */
        void *val;      /* 指向 泛型 */
        uint64_t u64;   /* 64 位无符号整型 */
        int64_t s64;    /* 64 位有符号整型 */
        double d;       /* 浮点数 */
    } v;
    struct dictEntry *next; /* 指向冲突的下一个 entry */
} dictEntry;
typedef struct dict {
    dictType *type;             /* 处理方式 */
    void *privdata;             /* 私有数据 */
    dictht ht[2];               /* hash 表 */
    long rehashidx;             /* 将要 rehash 的索引 */
    unsigned long iterators;    /* 正在遍历数量 */
} dict;

typedef struct dictht {
    dictEntry **table;          /* table 为柔性数组，可以动态的改变大小，为数组指针的指针 */
    unsigned long size;         /* 槽数（数组长度）：桶(bucket)的数量，比表元素数要大 */
    unsigned long sizemask;     /* 槽掩码, 总是等于 size - 1，用来计算元素在哪个槽(slot)的值。 */
    unsigned long used;         /* 表中已经使用的节点的数量，用于计算装填因子 */
} dictht;
typedef struct dictType {
    unsigned int (*hashFunction)(const void *key);        /* 计算 hash 值的函数 */
    void *(*keyDup)(void *privdata, const void *key);     /* 复制 key 函数 */
    void *(*valDup)(void *privdata, const void *obj);     /* 复制 value 函数 */
    int (*keyCompare)(void *privdata, const void *key1, const void *key2);    /* 比较 key */
    void (*keyDestructor)(void *privdata, void *key);     /* 销毁 key 函数 */
    void (*valDestructor)(void *privdata, void *obj);     /* 销毁 value 函数 */
    void *privdata;   /* 外部传入的私有数据指针，为 hash 函数提供上下文信息 */
} dictType;

typedef struct list {
    listNode *head;
    listNode *tl;
    unsigned long len;
    void *(*dup)(void *ptr);
    void (*free)(void *ptr);
    int (*match)(void *ptr, void *key);
} list;
typedef struct listNode {
    struct listNode *prev;
    struct listNode *next;
    void *value;
} listNode;