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Redis過期策略提升多線程性能
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Redis是一個開源的基于內(nèi)存的鍵值存儲系統(tǒng)。它可以用作數(shù)據(jù)庫，緩存和消息中間件。Redis的速度很快，因為它使用內(nèi)存作為存儲介質(zhì)。此外，它還采用了單線程模型，避免了多線程間的鎖競爭，使得Redis的性能非常出色。但是，當(dāng)Redis被用作緩存時，當(dāng)緩存達(dá)到一定數(shù)量時，過期策略便變得非常重要。本文將介紹如何通過改進(jìn)Redis的過期策略，進(jìn)一步提高Redis在多線程環(huán)境下的性能。
Redis對過期鍵的處理方式
Redis對于過期時間的過期鍵會被定期地從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中刪除。為了有效地處理過期鍵，Redis使用了兩種方式：
1. 僵尸檢查法(Zombie Check)
Redis為每一個過期鍵都單獨維護(hù)一個過期時間，在過期時間到期后，Redis將這個鍵設(shè)置為已過期(Expired)，但并不立即將它從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中刪除。當(dāng)一個客戶端訪問到這個已經(jīng)過期的鍵時，Redis會將它刪除，并且將這個已過期鍵從內(nèi)存中釋放，從而釋放內(nèi)存占用。
而“僵尸檢查法”則是指Redis通過隨機(jī)檢查一部分過期鍵是否過期，發(fā)現(xiàn)已過期的就刪除掉。
Redis執(zhí)行“僵尸檢查法”的頻率是通過以下兩個參數(shù)配置的：
– 服務(wù)器啟動時通過redis.conf文件配置的hz參數(shù)。
– 使用CONFIG SET命令修改runtime配置的hz參數(shù)。
2. 惰性刪除法(Lazy deletion)
Redis為每一個過期鍵維護(hù)了一個剩余生存時間(TTL)，在每次有新的訪問請求到達(dá)Redis服務(wù)器時，Redis會檢測過期鍵的剩余生存時間是否小于0，如果是，Redis會自動刪除該鍵。
優(yōu)化Redis在多線程下的性能
隨著業(yè)務(wù)負(fù)載的逐漸加重，Redis在單線程模式下處理請求的速度會逐漸變慢。如果不進(jìn)行優(yōu)化，會導(dǎo)致Redis的性能下降。下面我們介紹兩種優(yōu)化Redis在多線程環(huán)境下的性能的方案。
1. 將過期鍵從內(nèi)存中刪除
在Redis的過期鍵策略中，“僵尸檢查法”解決了部分問題，但如果數(shù)據(jù)量小，并發(fā)數(shù)量大，就會影響Redis的響應(yīng)速度，甚至?xí)?dǎo)致內(nèi)存溢出。此時，我們可以采用另一種過期鍵處理策略：將過期鍵從內(nèi)存中刪除，避免Redis將過期鍵存放在內(nèi)存中，浪費內(nèi)存空間。這個過程是通過在哈希表中存放過期時間和過期鍵，當(dāng)Redis檢測到鍵已經(jīng)過期后，直接從哈希表中刪除這個過期鍵實現(xiàn)的。
2. 提高過期鍵的時間粒度
在Redis中，每個過期鍵都有一個獨立的過期時間，在過期時間到來后這個鍵被刪除。這種模式在單機(jī)模式處理訪問請求時是非常高效的，但由于多線程環(huán)境下，多個線程對同一個鍵的并發(fā)訪問可能會導(dǎo)致過期時間未被正確更新，從而影響緩存的正確性。為了解決這個問題，可以通過提高過期鍵的時間粒度的方式來保證緩存的正確性。在這種策略下，Redis不會對每一個過期鍵單獨維護(hù)一個過期時間，而是將不同的過期鍵劃分到不同的時間槽中，每個時間槽包含一段時間內(nèi)的過期鍵，過期鍵的檢查也只針對當(dāng)前時間槽中的過期鍵。這個過程是通過使用基于時間輪的算法來實現(xiàn)的：
“`python
# Python 代碼示例(基于 time-wheel)
class TimeWheel:
def __init__(self, tick, wheelSize, taskExpiredCallBack):
“””
tick: 輪詢時間
wheelSize: 時間輪容量
taskExpiredCallBack: 任務(wù)到期回調(diào)
“””
self.tick = tick
self.wheelSize = wheelSize
self.wheelCurrent = -1 # 當(dāng)前時間指向的槽的位置
self.taskWheel = [[] for i in range(wheelSize)] # 時間槽和任務(wù)的映射
self.taskExpiredCallBack = taskExpiredCallBack
# 添加任務(wù)到時間輪
def addTaskToWheel(self, ttl, task):
“””
ttl: 過期時間
task: 任務(wù)
“””
if (ttl // self.tick) > self.wheelSize:
print(“time out=”, ttl // self.tick)
rse ValueError(“wheelSize not enough”)
timeId = (self.wheelCurrent + (ttl // self.tick)) % self.wheelSize
self.taskWheel[timeId].append(task)
# 時間輪快進(jìn)
def pumpWheel(self):
“””
快進(jìn)時間輪
“””
self.wheelCurrent = (self.wheelCurrent + 1) % self.wheelSize
tasks = self.taskWheel[self.wheelCurrent]
self.taskWheel[self.wheelCurrent] = []
for task in tasks:
self.taskExpiredCallBack(task)
# 示例使用
def taskExpiredCallBack(task):
print(task)
if __name__ == “__mn__”:
wheel = TimeWheel(2, 5, taskExpiredCallBack)
for i in range(5):
t = 7 + i * 2
wheel.addTaskToWheel(t, “expire time=%d” % t)
for i in range(10):
time.sleep(wheel.tick)
wheel.pumpWheel()
通過使用基于時間輪的算法，可以提高Redis查詢過期鍵的效率，并能更好地保證緩存的正確性，減少過期鍵處理過程中的并發(fā)問題。
結(jié)語
作為一個高性能的存儲系統(tǒng)，Redis的速度非?？?，并且通過單線程模型避免了多線程間的鎖競爭。然而在高并發(fā)訪問環(huán)境下，Redis的性能問題逐漸暴露，尤其是當(dāng)Redis作為緩存的時候。通過對Redis過期策略的優(yōu)化，可以更好地保證Redis的性能，在提升業(yè)務(wù)系統(tǒng)的處理速度方面發(fā)揮更大的作用。
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