Redis - 替换策略：LRU 和 LFU

由于内存是有限的，数据是无限的，只要程序一直运行，就一定会出现内存塞满的情况，此时就需要有替换策略，选择合适的内存对象进行替换，既保证缓存服务能继续运行下去，又能让替换带来的副作用最小化。这就是缓存数据的淘汰机制。简单来说，数据淘汰机制包括两步：第一，根据一定的策略，筛选出对应用访问来说“不重要”的数据；第二，将这些数据从缓存中删除，为新来的数据腾出空间。

Redis 中的替换策略有以下八种，其中一种内存策略是 noeviction，这也是 Redis 的默认淘汰策略，即不进行内存淘汰，一旦缓存被写满了，再有写请求来时，Redis 不再提供服务，而是直接返回错误。

剩余 7 种策略会进行淘汰。根据淘汰候选数据集的范围把它们分成两类：

• 在设置了过期时间的数据中进行淘汰，包括 volatile-random、volatile-ttl、volatile-lru、volatile-lfu（Redis 4.0 后新增）四种。

• 在所有数据范围内进行淘汰，包括 allkeys-lru、allkeys-random、allkeys-lfu（Redis 4.0 后新增）三种。

LRU

LRU 算法的全称是 Least Recently Used，从名字上就可以看出，这是按照最近最少使用的原则来筛选数据，最不常用的数据会被筛选出来，而最近频繁使用的数据会留在缓存中。

那具体是怎么筛选的呢？LRU 会把所有的数据组织成一个链表，链表的头和尾分别表示 MRU 端和 LRU 端，分别代表最近最常使用的数据和最近最不常用的数据。

当已有数据被访问，它们都会从现有的链表位置移到 MRU 端，而链表中在它们之前的数据则相应地往后移一位。因为，LRU 算法选择删除数据时，都是从 LRU 端开始，所以把刚刚被访问的数据移到 MRU 端，就可以让它们尽可能地留在缓存中。

其实，LRU 算法背后的想法非常朴素：它认为刚刚被访问的数据，肯定还会被再次访问，所以就把它放在 MRU 端；长久不访问的数据，肯定就不会再被访问了，所以就让它逐渐后移到 LRU 端，在缓存满时，就优先删除它。

不过，LRU 算法在实际实现时，需要用链表管理所有的缓存数据，这会带来额外的空间开销。而且，当有数据被访问时，需要在链表上把该数据移动到 MRU 端，如果有大量数据被访问，就会带来很多链表移动操作，会很耗时，进而会降低 Redis 缓存性能。

所以，在 Redis 中，LRU 算法被做了简化，以减轻数据淘汰对缓存性能的影响。具体来说，Redis 默认会记录每个数据的最近一次访问的时间戳（由键值对数据结构 RedisObject 中的 lru 字段记录）。然后，Redis 在决定淘汰的数据时，第一次会随机选出 N 个数据，把它们作为一个候选集合。接下来，Redis 会比较这 N 个数据的 lru 字段，把 lru 字段值最小的数据从缓存中淘汰出去。当需要再次淘汰数据时，Redis 需要挑选数据进入第一次淘汰时创建的候选集合。这儿的挑选标准是：能进入候选集合的数据的 lru 字段值必须小于候选集合中最小的 lru 值。当有新数据进入候选数据集后，如果候选数据集中的数据个数达到了 maxmemory-samples，Redis 就把候选数据集中 lru 字段值最小的数据淘汰出去。这样一来，Redis 缓存不用为所有的数据维护一个大链表，也不用在每次数据访问时都移动链表项，提升了缓存的性能。

LFU

LFU 缓存策略是在 LRU 策略基础上，为每个数据增加了一个计数器，来统计这个数据的访问次数。当使用 LFU 策略筛选淘汰数据时，首先会根据数据的访问次数进行筛选，把访问次数最低的数据淘汰出缓存。如果两个数据的访问次数相同，LFU 策略再比较这两个数据的访问时效性，把距离上一次访问时间更久的数据淘汰出缓存。

Redis 在实现 LFU 策略的时候，只是把原来 24bit 大小的 lru 字段，又进一步拆分成了两部分：

1. ldt 值：lru 字段的前 16bit，表示数据的访问时间戳；

2. counter 值：lru 字段的后 8bit，表示数据的访问次数。

总结一下：当 LFU 策略筛选数据时，Redis 会在候选集合中，根据数据 lru 字段的后 8bit 选择访问次数最少的数据进行淘汰。当访问次数相同时，再根据 lru 字段的前 16bit 值大小，选择访问时间最久远的数据进行淘汰。

由于 Redis 只使用了 8bit 记录数据的访问次数，而 8bit 记录的最大值是 255，为了避免当访问次数过多之后，所有 key 的 counter 值相等，因此，在实现 LFU 策略时，Redis 并没有采用数据每被访问一次，就给对应的 counter 值加 1 的计数规则，而是采用了一个更优化的计数规则。

简单来说，LFU 策略实现的计数规则是：每当数据被访问一次时，首先，用计数器当前的值乘以配置项 lfu_log_factor 再加 1，再取其倒数，得到一个 p 值；然后，把这个 p 值和一个取值范围在（0，1）间的随机数 r 值比大小，只有 p 值大于 r 值时，计数器才加 1。正是因为使用了非线性递增的计数器方法，即使缓存数据的访问次数成千上万，LFU 策略也可以有效地区分不同的访问次数，从而进行合理的数据筛选。

前面我们也提到了，应用负载的情况是很复杂的。在一些场景下，有些数据在短时间内被大量访问后就不会再被访问了。那么再按照访问次数来筛选的话，这些数据会被留存在缓存中，但不会提升缓存命中率。为此，Redis 在实现 LFU 策略时，还设计了一个 counter 值的衰减机制。

简单来说，LFU 策略使用衰减因子配置项 lfu_decay_time 来控制访问次数的衰减。LFU 策略会计算当前时间和数据最近一次访问时间的差值，并把这个差值换算成以分钟为单位。然后，LFU 策略再把这个差值除以 lfu_decay_time 值，所得的结果就是数据 counter 要衰减的值。假设 lfu_decay_time 取值为 1，如果数据在 N 分钟内没有被访问，那么它的访问次数就要减 N。如果 lfu_decay_time 取值更大，那么相应的衰减值会变小，衰减效果也会减弱。

所以，如果业务应用中有短时高频访问的数据的话，建议把 lfu_decay_time 值设置为 1，这样一来，LFU 策略在它们不再被访问后，会较快地衰减它们的访问次数，尽早把它们从缓存中淘汰出去，避免缓存污染。