Redis的零食盒满了怎么办？详解缓存淘汰策略

Redis 缓存过期淘汰策略

第一站：为什么要"淘汰"？（概念铺垫）

首先，我们得明白为什么要费劲心思地设计这些"淘汰策略"？

通俗类比：

想象你的 Redis 就像一个 容量有限的"零食盒"。

1. 过期时间（TTL）： 你买了一堆零食，有些零食（数据）是有保质期（TTL，Time To Live，存活时间）的。时间一到，即使盒子没满，这个零食也得扔掉，因为它"过期"了。
2. 内存限制（Maxmemory）： 你的零食盒就这么大（maxmemory 配置），当盒子满了，你又想放新的零食进去，怎么办？你必须先扔掉一些旧的零食腾出空间。

过期策略 解决的是 "时间一到就扔" 的问题。

淘汰策略 解决的是 "盒子满了该扔谁" 的问题。

我们本次主要关注的是第二个问题，即 maxmemory 限制下的 淘汰策略。
否 是 Redis内存使用 内存是否达到maxmemory? 正常写入数据 触发淘汰策略 根据策略选择淘汰键 删除选中键释放内存 写入新数据

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第二站：Redis 的两大基石：过期和淘汰

在介绍具体的淘汰策略前，我们先快速了解一下 Redis 如何处理"过期"这件事，因为它和"淘汰"策略是并存的。

数据的"过期"机制（Expiration）

Redis 处理过期数据的机制，被称为 惰性删除（Lazy Deletion） 和 定期删除（Active Deletion）。

A. 惰性删除（Lazy Deletion）：随用随清

• 学术解释： 当客户端尝试访问（GET/MGET 等操作）某个带有 TTL 的键时，Redis 会先检查这个键的过期时间，如果发现它已经过期，则在返回结果前将其删除。
• 通俗比方： 就像你打开零食盒，拿起一块饼干时，先闻一闻、看一看日期，发现过期了，马上扔掉，而不是放回盒子里。
• 优点： 节省 CPU 资源，只有被访问时才检查，避免了不必要的扫描。
• 缺点： 如果大量数据过期后一直没被访问，它们会一直占用内存，直到被淘汰策略处理。

B. 定期删除（Active Deletion）：抽样巡检

• 学术解释： Redis 会周期性地（默认每秒执行 10 次）随机抽取一些设置了 TTL 的键进行检查，并删除其中已过期的键。
  • 这个过程是有限制的，例如每次执行时长不超过 25 毫秒。
• 通俗比方： 零食盒旁边有个"巡检员"，每隔一段时间（100 毫秒）就随便拿出几包零食看看有没有过期，发现过期就扔掉。
• 优点： 弥补了惰性删除的不足，可以清理一些不常访问但已过期的数据。

Client Redis 过期键 惰性删除流程 GET key1 检查key1是否过期 删除key1 返回nil 返回value alt [已过期] [未过期] 定期删除流程 随机抽取20个带TTL的键 检查每个键是否过期 删除过期键 loop [对每个过期键] 执行时间≤25ms loop [每秒10次] Client Redis 过期键

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第三站：缓存淘汰策略（Eviction Policies）

当 Redis 内存达到 maxmemory 限制，并且有新的数据需要写入时，淘汰策略 就会启动，来决定"牺牲"哪些数据。

Redis 提供了 8 种主要的淘汰策略（自 Redis 4.0 以后）：

A. 不淘汰策略（No Eviction）

• 策略名： noeviction
• 作用： 当内存不足，且有新的写入命令时，直接返回错误，不会删除任何键。
• 底层哲学： "宁可报错，不删数据"。适用于那些对数据完整性要求极高，或依赖外部机制保证内存管理的应用。
• 比方： 零食盒满了，你想放新零食进来，但守卫说："没地方了，你得等别人吃了或扔了腾出位置再说，我现在不会替你扔任何东西。"

B. 针对"设置了过期时间"的键进行淘汰（Volatile Family）

这组策略只关注那些设置了 TTL 的键。

1. volatile-lru (Least Recently Used)
   • 作用： 从所有设置了过期时间的键中，淘汰 最近最少使用 的键。
   • 核心思想： 那些长时间没人碰的，以后用到的概率也小，优先淘汰它们。
2. volatile-lfu (Least Frequently Used)
   • 作用： 从所有设置了过期时间的键中，淘汰 最不经常使用 的键。
   • 核心思想： 相比 LRU 关注"最后一次使用时间"，LFU 更关注"使用次数"。使用次数少的，优先淘汰。
3. volatile-ttl (Time To Live)
   • 作用： 从所有设置了过期时间的键中，淘汰 剩余 TTL 值最小 的键（即最快要过期的键）。
   • 核心思想： 反正快过期了，不如先扔掉，让过期机制的工作更简单。
4. volatile-random
   • 作用： 从所有设置了过期时间的键中，随机 淘汰键。
   • 核心思想： 简单粗暴，不求性能最优，只求执行速度快。

C. 针对"所有键"进行淘汰（Allkeys Family）

这组策略会考虑 Redis 数据库中的 所有键，无论是否设置了 TTL。

1. allkeys-lru (Least Recently Used)
   • 作用： 从 所有键 中，淘汰 最近最少使用 的键。
   • 核心思想： 相比 volatile-lru，它连永久键（没有设置 TTL 的键）也敢删。
2. allkeys-lfu (Least Frequently Used)
   • 作用： 从 所有键 中，淘汰 最不经常使用 的键。
3. allkeys-random
   • 作用： 从 所有键 中，随机 淘汰键。

Redis淘汰策略 noeviction
不淘汰 volatile家族
只淘汰有TTL的键 allkeys家族
淘汰所有键 volatile-lru
最近最少使用 volatile-lfu
最不经常使用 volatile-ttl
最快过期 volatile-random
随机淘汰 allkeys-lru
最近最少使用 allkeys-lfu
最不经常使用 allkeys-random
随机淘汰

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第四站：底层解剖：LRU 和 LFU 的"近似"实现

LRU 和 LFU 是最常用的淘汰策略，但 Redis 的实现并非是 完全精准 的，而是 近似（Approximation） 的。

1. 为什么是"近似"？

• 学术解释： 完全精准 的 LRU/LFU 需要维护一个全局有序链表（LRU）或复杂的频率计数结构（LFU）。对于拥有数百万键的 Redis 来说，每次访问或插入/删除都需要移动或更新这些结构，这将带来巨大的 性能开销，完全无法达到 Redis 所追求的高并发、低延迟目标。
• 通俗比方： 想象你有一千万本图书，要找出"最近最少被借阅"的那一本。如果每借出一本，你都要移动或排序一千万本图书的记录，那图书馆就瘫痪了。

2. Redis 的"近似 LRU" (allkeys-lru / volatile-lru)

Redis 采用的是 随机采样法 来近似实现 LRU。

• 实现原理：
  1. Redis 维护了一个 24-bit 的字段（lru 字段 ）记录每个键的 最后一次被访问的时间戳（相对时间）。
  2. 当需要淘汰时，随机选择 少量键（例如，默认配置下选择 maxmemory-samples 个键，默认为 5 个）。
  3. 从这 5 个随机选出的键 中，淘汰 掉那个 lru 字段最小（即最后一次访问时间最久）的键。
• 比方： 守卫不是挨个检查所有零食，而是 随机抓出 5 个 ，比较它们的生产日期（最后访问时间），扔掉 这 5 个里面最久远的那个。
• 总结： 随机采样、局部最优，效率极高，效果接近真正的 LRU。

内存达到maxmemory 随机选择5个键作为候选池 遍历候选池查找LRU字段最小的键 淘汰找到的LRU最小键 释放内存空间 键被访问时 更新该键的LRU字段

3. Redis 的"近似 LFU" (allkeys-lfu / volatile-lfu)

LFU 比 LRU 复杂，它关注的是使用 频率。

• 实现原理：
  1. Redis 使用了一个 24-bit 的字段（lfu 字段 ）记录每个键的 访问频率 。这个字段被分为两部分：
     • 高 8 位记录 访问频率计数器（counter）。
     • 低 16 位记录 访问时间戳（ltime） ，用于对频率进行 衰减。
  2. 计数器增长： 每次键被访问，counter 都会递增，但不是简单地 +1，而是使用 概率对数计数 的方式，保证高频率的键不会无限增长，而是缓慢趋近一个上限。
  3. 频率衰减： 如果一个键长时间（例如，几分钟）没有被访问，counter 会根据 ltime 的信息自动 衰减，防止长时间不访问的"历史高频键"霸占内存。
• 比方： 守卫给每包零食贴一个"热度标签"，每次有人拿它，热度就增加一点。但如果长时间没人碰，热度会随着时间自动冷却。淘汰时，就找那些 热度最低 的扔掉。
• 总结： LFU 通过频率衰减机制，更好地适应了"热点漂移"的情况，即一个键曾经很热，但现在不再使用了，它最终会被淘汰。

初始状态 频繁访问 持续访问 访问减少 长时间未访问 被淘汰 低频键 中频键 高频键 counter值高
但会随时间衰减

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第五站：Java 后端技术栈的选择建议

作为 Java 后端开发者，理解这些策略后，如何选择呢？

策略	适用场景	优点	缺点	推荐指数
allkeys-lru	最常用和推荐的。当你不知道选择什么时，选它。适用于大多数业务场景，如 Session 缓存、热门商品列表等。	效果好，命中率高，性能高（近似实现）。	可能淘汰掉永不过期但很久没用的关键配置数据。	⭐⭐⭐⭐⭐
volatile-lru	当你需要将 重要配置或字典数据 设置为永不（或极长 TTL）过期，不希望被淘汰，但又需要缓存大量临时数据时。	兼顾了重要数据的保护和缓存淘汰的需求。	只能淘汰设置了 TTL 的键。	⭐⭐⭐⭐
allkeys-lfu	适用于 热点数据分布非常不均匀 ，且希望长期不被访问的键能比 LRU 更长时间保留 的场景。	对高频键的保护比 LRU 更好。	略微复杂，计算开销略高于 LRU。	⭐⭐⭐
noeviction	仅用于 非缓存应用（如作为分布式锁服务）或你完全掌控内存容量，绝不允许数据丢失的场景。	保证数据完整性。	内存一满立即无法写入。	⭐⭐

40% 25% 20% 10% 5% Redis淘汰策略使用推荐 allkeys-lru (首选推荐) volatile-lru (配置保护) allkeys-lfu (热点场景) noeviction (特殊场景) 其他策略

总结：

在绝大多数 Java 缓存场景中，allkeys-lru 是首选。它简单、高效，并且能很好地模拟出热点数据的特性。如果你的 Redis 既做缓存又做配置存储，可以考虑 volatile-lru，将配置数据不设置 TTL 来保护起来。