所有 IT 从业者都接触过缓存，一定了解基本工作原理，业界流行一句话： 缓存就是万金油，哪里有问题哪里抹一下 。那他的本质是什么呢？

上图代表从 cpu 到底层硬盘不同层次，不同模块的运行速度，上层多加一层 cache, 就能解决下层的速度慢的问题，这里的慢是指两点：IO 慢和 cpu 重复计算缓存中间结果

但是 cache 受限于成本，cache size 一般都是固定的，所以数据需要淘汰，由此引出一系列其它问题：缓存一致性、击穿、雪崩、污染等等，本文通过阅读 redis 源码，学习主流淘汰算法

如果不是 leetcode 146 LRU [1] 刷题需要，我想大家也不会手写 cache, 简单的实现和工程实践相距十万八千里，真正 production ready 的缓存库非常考验细节

Redis 缓存淘汰配置

一般 redis 不建义当成存储使用，只允许当作 cache, 并设置 max-memory, 当内存使用达到最大值时，redis-server 会根据不同配置开始删除 keys. Redis 从 4.0 版本引进了 LFU [2] , 即 Least Frequently Used ，4.0 以前默认使用 LRU 即 Least Recently Used

volatile-lru 只针对设置 expire 过期的 key 进行 lru 淘汰
allkeys-lru 对所有的 key 进行 lru 淘汰
volatile-lfu 只针对设置 expire 过期的 key 进行 lfu 淘汰
allkeys-lfu 对所有的 key 进行 lfu 淘汰
volatile-random 只针对设置 expire 过期的进行随机淘汰
allkeys-random 所有的 key 随机淘汰
volatile-ttl 淘汰 ttl 过期时间最小的 key
noeviction 什么都不做，如果此时内存已满，系统无法写入

默认策略是 noeviction , 也就是不驱逐，此时如果写满，系统无法写入，建义设置为 LFU 相关的。 LRU 优先淘汰最近未被使用，无法应对冷数据，比如热 keys 短时间没有访问，就会被只使用一次的冷数据冲掉，无法反应真实的使用情况

LFU 能避免上述情况，但是 朴素 LFU 实现无法应对突发流量，无法驱逐历史热 keys ，所以 redis LFU 实现类似于 W-TinyLFU [3] , 其中 W 是 windows 的意思，即一定时间窗口后对频率进行减半，如果不减的话，cache 就成了对历史数据的统计，而不是缓存

上面还提到突发流量如果应对呢？答案是给新访问的 key 一个初始频率值，不至于由于初始值为 0 无法更新频率

LRU 实现

int processCommand(redisClient *c) {
    ......
    /* Handle the maxmemory directive.
     *
     * First we try to free some memory if possible (if there are volatile
     * keys in the dataset). If there are not the only thing we can do
     * is returning an error. */
    if (server.maxmemory) {
        int retval = freeMemoryIfNeeded();
        if ((c->cmd->flags & REDIS_CMD_DENYOOM) && retval == REDIS_ERR) {
            flagTransaction(c);
            addReply(c, shared.oomerr);
            return REDIS_OK;
        }
    }
    ......
}

在每次处理 client 命令时都会调用 freeMemoryIfNeeded 检查是否有必有驱逐某些 key, 当 redis 实际使用内存达到上限时开始淘汰。但是 redis 做的比较取巧，并没有对所有的 key 做 lru 队列，而是按照 maxmemory_samples 参数进行采样，系统默认是 5 个 key

上面是很经典的一个图，当到达 10 个 key 时效果更接近理论上的 LRU 算法，但是 cpu 消耗会变高，所以系统默认值就够了。

LFU 实现

robj *lookupKey(redisDb *db, robj *key, int flags) {
    dictEntry *de = dictFind(db->dict,key->ptr);
    if (de) {
        robj *val = dictGetVal(de);

        /* Update the access time for the ageing algorithm.
         * Don't do it if we have a saving child, as this will trigger
         * a copy on write madness. */
        if (!hasActiveChildProcess() && !(flags & LOOKUP_NOTOUCH)){
            if (server.maxmemory_policy & MAXMEMORY_FLAG_LFU) {
                updateLFU(val);
            } else {
                val->lru = LRU_CLOCK();
            }
        }
        return val;
    } else {
        returnNULL;
    }
}

当 lookupKey 访问某 key 时，会更新 LRU. 从 redis 4.0 开始逐渐引入了 LFU 算法，由于复用了 LRU 字段，所以只能使用 24 bits

 * We split the 24 bits into two fields:
 *
 *     16 bits      8 bits
 * +----------------+--------+
 * + Last decr time | LOG_C  |
 * +----------------+--------+

其中低 8 位 counter 用于计数频率，取值为从 0~255, 但是经过取对数的，所以可以表示很大的访问频率

高 16 位 ldt ( Last Decrement Time )表示最后一次访问的 miniutes 时间戳, 用于衰减 counter 值，如果 counter 不衰减的话就变成了对历史 key 访问次数的统计了，而不是 LFU

/* Update LFU when an object is accessed.
 * Firstly, decrement the counter if the decrement time is reached.
 * Then logarithmically increment the counter, and update the access time. */
void updateLFU(robj *val) {
    unsigned long counter = LFUDecrAndReturn(val);
    counter = LFULogIncr(counter);
    val->lru = (LFUGetTimeInMinutes()<<8) | counter;
}

LFUDecrAndReturn 将已有的 counter 计数衰减后返回， LFULogIncr 尝试对计数加一(有可能不加)后取对数，最后更新 val-lru

unsigned long LFUTimeElapsed(unsigned long ldt) {
    unsigned long now = LFUGetTimeInMinutes();
    if (now >= ldt) return now-ldt;
    return 65535-ldt+now;
}

注意由于 ldt 只用了 16位计数，最大值 65535，所以会出现回卷 rewind

LFU 获取己有计数

 * counter of the scanned objects if needed. */
unsigned long LFUDecrAndReturn(robj *o) {
    unsigned long ldt = o->lru >> 8;
    unsigned long counter = o->lru & 255;
    unsigned long num_periods = server.lfu_decay_time ? LFUTimeElapsed(ldt) / server.lfu_decay_time : 0;
    if (num_periods)
        counter = (num_periods > counter) ? 0 : counter - num_periods;
    return counter;
}

num_periods 代表计算出来的待衰减计数， lfu_decay_time 代表衰减系数，默认值是 1，如果 lfu_decay_time 大于 1 衰减速率会变得很慢

最后返回的计数值为衰减之后的，也有可能是 0

LFU 计数更新并取对数

/* Logarithmically increment a counter. The greater is the current counter value
 * the less likely is that it gets really implemented. Saturate it at 255. */
uint8_t LFULogIncr(uint8_t counter) {
    if (counter == 255) return 255;
    double r = (double)rand()/RAND_MAX;
    double baseval = counter - LFU_INIT_VAL;
    if (baseval < 0) baseval = 0;
    double p = 1.0/(baseval*server.lfu_log_factor+1);
    if (r < p) counter++;
    return counter;
}

计数超过 255, 就不用算了，直接返回即可。 LFU_INIT_VAL 是初始值，默认是 5

如果减去初始值后 baseval 小于 0 了，说明快过期了，就更倾向于递增 counter 值

double p = 1.0/(baseval*server.lfu_log_factor+1);

这个概率算法中 lfu_log_factor 是对数的，默认是 10, 当 counter 值较小时自增的概率较大，如果 counter 较大，倾向于不做任何操作

counter 值从 0~255 可以表示很大的访问频率，足够用了

# +--------+------------+------------+------------+------------+------------+
# | factor | 100 hits   | 1000 hits  | 100K hits  | 1M hits    | 10M hits   |
# +--------+------------+------------+------------+------------+------------+
# | 0      | 104        | 255        | 255        | 255        | 255        |
# +--------+------------+------------+------------+------------+------------+
# | 1      | 18         | 49         | 255        | 255        | 255        |
# +--------+------------+------------+------------+------------+------------+
# | 10     | 10         | 18         | 142        | 255        | 255        |
# +--------+------------+------------+------------+------------+------------+
# | 100    | 8          | 11         | 49         | 143        | 255        |
# +--------+------------+------------+------------+------------+------------+

基于这个特性，我们就可以用 redis-cli --hotkeys 命令，来查看系统中的最近一段时间的热 key, 非常实用。老版本中是没这个功能的，需要人工统计

$ redis-cli --hotkeys
# Scanning the entire keyspace to find hot keys as well as
# average sizes per key type.  You can use -i 0.1 to sleep 0.1 sec
# per 100 SCAN commands (not usually needed).
......
[47.62%] Hot key 'key17' found so far with counter 6
[57.14%] Hot key 'key43' found so far with counter 7
[57.14%] Hot key 'key14' found so far with counter 6
[85.71%] Hot key 'key42' found so far with counter 7
[85.71%] Hot key 'key45' found so far with counter 8
[95.24%] Hot key 'key50' found so far with counter 7

-------- summary -------

Sampled 105 keys in the keyspace!
hot key found with counter: 7 keyname: key40
hot key found with counter: 7 keyname: key42
hot key found with counter: 7 keyname: key50

谈谈缓存的指标

前面提到的是 redis LFU 实现，这是集中式的缓存，我们还有很多进程的本地缓存。如何评价一个缓存实现的好坏，有好多指标，细节更重要

吞吐量：常说的 QPS, 对标 bucket 实现的 hashmap 复杂度是 O(1), 缓存复杂度要高一些，还有锁竞争要处理，总之缓存库实现的效率要高
缓存命中率：光有吞吐量还不够，缓存命中率也非常关键，命中率越高说明引入缓存作用越大
高级特性：缓存指标统计，如何应对缓存击穿等等