redis设置生存和过期时间的原理是什么

发布时间：2022-08-27 14:43:21 作者：iii
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Redis设置生存和过期时间的原理是什么

Redis是一个高性能的键值存储系统，广泛应用于缓存、消息队列、排行榜等场景。为了有效地管理内存资源，Redis提供了设置键的生存时间（TTL）和过期时间的功能。本文将深入探讨Redis设置生存和过期时间的原理，包括其实现机制、数据结构、过期策略以及相关命令的使用。

1. Redis中的生存时间和过期时间

在Redis中，生存时间（TTL）是指一个键从创建到自动删除的时间间隔，而过期时间是指一个键在某个具体时间点被自动删除。Redis通过设置键的生存时间或过期时间，可以自动删除不再需要的键，从而释放内存资源。

1.1 设置生存时间

Redis提供了EXPIRE和PEXPIRE命令来设置键的生存时间：

EXPIRE key seconds：设置键的生存时间为seconds秒。
PEXPIRE key milliseconds：设置键的生存时间为milliseconds毫秒。

例如，以下命令将键mykey的生存时间设置为60秒：

EXPIRE mykey 60

1.2 设置过期时间

Redis还提供了EXPIREAT和PEXPIREAT命令来设置键的过期时间：

EXPIREAT key timestamp：设置键的过期时间为timestamp秒级时间戳。
PEXPIREAT key milliseconds-timestamp：设置键的过期时间为milliseconds-timestamp毫秒级时间戳。

例如，以下命令将键mykey的过期时间设置为2023年10月1日00:00:00（Unix时间戳为1696118400）：

EXPIREAT mykey 1696118400

2. Redis过期键的实现机制

Redis通过内部的数据结构和算法来实现键的过期功能。具体来说，Redis使用了一种称为“过期字典”（expires dictionary）的数据结构来存储键的过期时间。

2.1 过期字典

过期字典是一个哈希表，键是Redis的键名，值是该键的过期时间（以毫秒为单位）。当设置一个键的生存时间或过期时间时，Redis会将该键及其过期时间存储在过期字典中。

例如，假设我们有一个键mykey，其过期时间为1696118400000（毫秒级时间戳），那么过期字典中会存储如下条目：

mykey -> 1696118400000

2.2 过期键的删除策略

Redis采用了两种策略来删除过期键：惰性删除和定期删除。

2.2.1 惰性删除

惰性删除是指当客户端尝试访问一个键时，Redis会检查该键是否已经过期。如果键已经过期，Redis会立即删除该键，并返回空值。这种策略的优点是只有在访问键时才会进行删除操作，避免了不必要的性能开销。

例如，假设键mykey已经过期，当客户端执行GET mykey命令时，Redis会检查mykey的过期时间，发现它已经过期，于是删除mykey并返回nil。

2.2.2 定期删除

定期删除是指Redis会定期随机检查一部分键，删除其中已经过期的键。这种策略的优点是可以在一定程度上减少内存中过期键的数量，避免内存浪费。

Redis的定期删除策略是通过一个定时任务来实现的。定时任务会每隔一段时间（默认100毫秒）执行一次，随机检查一定数量的键（默认20个），并删除其中已经过期的键。

2.3 过期键的内存回收

当Redis删除一个过期键时，会释放该键占用的内存空间。为了确保内存的高效利用，Redis还采用了内存回收机制。当内存使用量达到一定阈值时，Redis会根据配置的淘汰策略（如LRU、LFU等）删除一些键，以释放内存。

3. Redis过期键的相关命令

除了EXPIRE、PEXPIRE、EXPIREAT和PEXPIREAT命令外，Redis还提供了一些其他命令来管理和查询键的生存时间和过期时间。

3.1 查询键的剩余生存时间

TTL key：返回键的剩余生存时间（以秒为单位）。如果键不存在或没有设置生存时间，返回-1；如果键已经过期，返回-2。
PTTL key：返回键的剩余生存时间（以毫秒为单位）。如果键不存在或没有设置生存时间，返回-1；如果键已经过期，返回-2。

例如，以下命令返回键mykey的剩余生存时间：

TTL mykey

3.2 移除键的生存时间

PERSIST key：移除键的生存时间，使其永久有效。如果键不存在或没有设置生存时间，返回0；否则返回1。

例如，以下命令移除键mykey的生存时间：

PERSIST mykey

3.3 批量设置生存时间

Redis还提供了EXPIRE和PEXPIRE命令的批量版本，可以一次性为多个键设置生存时间：

EXPIRE key1 seconds key2 seconds ...：为多个键设置相同的生存时间。
PEXPIRE key1 milliseconds key2 milliseconds ...：为多个键设置相同的生存时间（以毫秒为单位）。

例如，以下命令将键key1和key2的生存时间设置为60秒：

EXPIRE key1 60 key2 60

4. Redis过期键的应用场景

Redis的过期键功能在许多应用场景中都非常有用，以下是一些常见的应用场景：

4.1 缓存

在缓存场景中，通常需要为缓存数据设置一个生存时间，以避免缓存数据过期后仍然占用内存。通过设置键的生存时间，Redis可以自动删除过期的缓存数据，从而释放内存资源。

例如，假设我们有一个缓存键user:123，存储了用户123的信息，我们可以为该键设置一个生存时间，如60秒：

SET user:123 "{name: 'Alice', age: 30}"
EXPIRE user:123 60

4.2 会话管理

在Web应用中，通常需要为用户的会话设置一个过期时间，以确保用户在一段时间不活动后，会话会自动失效。通过设置键的过期时间，Redis可以自动删除过期的会话数据。

例如，假设我们有一个会话键session:abc123，存储了用户的会话信息，我们可以为该键设置一个过期时间，如30分钟：

SET session:abc123 "{user_id: 123, last_active: 1696118400}"
EXPIREAT session:abc123 1696120200

4.3 限流

在限流场景中，通常需要为某个操作设置一个时间窗口，以限制在一定时间内的操作次数。通过设置键的生存时间，Redis可以实现简单的限流功能。

例如，假设我们需要限制用户每分钟只能发送5条消息，我们可以使用一个计数器键rate_limit:user:123，并为其设置一个生存时间60秒：

INCR rate_limit:user:123
EXPIRE rate_limit:user:123 60

5. 总结

Redis通过设置键的生存时间和过期时间，可以有效地管理内存资源，避免内存浪费。其实现机制主要依赖于过期字典和惰性删除、定期删除两种策略。通过合理使用Redis的过期键功能，可以在缓存、会话管理、限流等场景中实现高效的内存管理和数据清理。

在实际应用中，开发者应根据具体需求选择合适的生存时间和过期时间，并结合Redis的其他功能（如淘汰策略、持久化等）来优化系统性能。