Redis定时过期性能提升，聊聊多线程怎么帮忙解决瓶颈问题

关于Redis定时过期性能提升，以及多线程如何帮忙解决瓶颈问题，这个话题其实挺有意思的，它不像我们平时想的“加个功能”那么简单，而是Redis为了解决一个内部“家务活”干不过来而做的优化,下面我就聊聊这是怎么回事。

Redis的“家务活”：定时过期是怎么工作的？

首先得明白，Redis里那些设置了过期时间的键（SET key value EX 60，表示60秒后过期），Redis是怎么知道它该“死”了呢？Redis不可能像个闹钟一样为每个键都设个倒计时,那样太耗费资源了。

根据Redis官方文档和相关技术讨论（如Redis Antirez的博客和Redis Conf演讲）,Redis主要用了两种策略来配合处理过期键：

1. 被动过期：这是最常用的，当一个客户端尝试访问某个键时，Redis会先检查一下这个键是否已经过期了，如果过期了，就立刻把它删除，然后返回一个“键不存在”的提示给客户端，这种方式很“懒”，只在必要的时候才干活,对性能影响最小。
2. 主动过期：光靠“被动”不行，想象一下，如果一个键设置了过期时间，但之后再也没有被访问过，那它就会一直占着内存，成了“僵尸键”，所以Redis必须定期主动去清扫这些垃圾，它有一个后台任务，会周期性地随机抽查一批设置了过期时间的键,把其中已经过期的删除掉。

瓶颈在哪里？为什么“主动过期”会成问题？

问题就出在这个“主动过期”的清扫过程上，在很长一段时间里，Redis是单线程处理核心命令的（网络IO等后来有了多线程，但命令执行本身还是单线程），这意味着，这个后台清扫任务也必须在这个主线程里“见缝插针”地执行。

Redis的文档里提到，这个主动清扫的算法是自适应的，它会根据过期键的数量和清理的难度，动态调整清扫的力度和频率，但无论如何调整，这个清扫工作本身是需要消耗CPU时间的，当以下情况发生时,瓶颈就非常明显了：

• 海量键同时过期，比如你做缓存，给一大批数据设置了相同的过期时间，时间一到，Redis的主动清扫任务会发现有海量的键需要立刻清理,这个清扫过程会持续占用主线程相对较长的时间。
• 内存压力大，当Redis实例使用的内存接近上限时，它会更积极地进行清扫以释放空间，这也会导致清扫任务更频繁、更努力地工作。

在这两种情况下，那个负责清扫过期键的后台任务就会在主线程里“赖着不走”，消耗了大量的CPU时间，直接导致的后果就是：处理正常客户端命令的请求被阻塞了，客户端会明显感觉到延迟增高，吞吐量下降，这时候，过期键的清理工作，从一个后台的“家务活”，变成了影响前台服务的“瓶颈”。

多线程怎么来帮忙？

既然瓶颈是单线程的主线程被清扫任务拖累了，那么最直观的想法就是：把这个累活从主线程里搬出去，交给别人干，这正是Redis在后续版本中引入“惰性删除线程”的思路。

根据Redis 6.0版本的更新日志和相关技术解析（如Redis Labs的技术博客），Redis开始支持一种名为“Lazy Free”的机制，这个机制的核心思想是，将一些耗时的、不需要立即返回结果的操作（比如删除一个非常大的键，或者清空一个巨大的集合），从主线程中剥离出来,放到额外的后台线程中去慢慢处理。

对于定时过期,这个机制也被应用了起来。

1. 主线程快速判断：当主动清扫任务运行时，依然在主线程中进行,主线程会快速地扫描和判断哪些键已经过期了。
2. 繁重的删除操作移交后台：对于那些被判定为过期的键，主线程不再亲自执行实际的删除和内存释放操作，这个操作可能很耗时，尤其是当键对应的值对象很大时，主线程会把这个删除任务封装成一个“作业”,扔到一个专门的后台线程队列里。
3. 后台线程默默干活：一个或多个独立的“惰性删除线程”会从这个队列里领取任务，然后在后台安静地执行内存释放工作，它们和主线程是并发的,互不干扰。

多线程帮忙后带来了什么好处？

这么做的好处是立竿见影的：

• 主线程解放了：主线程只需要做快速的判断，然后把脏活累活丢出去就行了，它被阻塞的时间极大地缩短了，可以更快地返回去处理客户端的下一个请求，这使得Redis服务的响应时间变得更加稳定，即使在有大量键过期或者内存压力大的情况下,也能保持较低的延迟。
• 性能瓶颈得到缓解：过期键清理这个“瓶颈”被大大地缓解了，因为最耗时的部分已经被分摊到了后台线程,整个系统的吞吐量得到了提升。
• 充分利用多核CPU：现代服务器都是多核的，单线程的Redis只能利用一个CPU核心，引入惰性删除线程后，这些后台任务可以分配到其他空闲的CPU核心上执行，更好地利用了硬件资源,提升了整体效率。

总结一下

Redis定时过期的性能问题，根源在于单线程模型下，“家务活”和“主营业务”会抢时间，多线程的帮忙，并不是改变了Redis核心的单线程命令处理模型，而是扮演了“家政服务员”的角色，主线程（好比家里的主人）发现垃圾（过期键）后，不再是自己花大力气去扔，而是指挥后台线程（家政服务员）去处理，主人因此能更专心地接待客人（处理客户端命令），整个家的运转（Redis实例的性能）自然就更顺畅、更高效了，这项改进是Redis在高性能道路上的一次重要优化,让它在处理复杂场景时更加游刃有余。