1. 引言
Redis是一种高性能的、基于内存的Key-Value存储系统，支持多种数据结构，其提供了丰富的功能，如发布-订阅、事物、Lua脚本等。但是，Redis存在一种非常常见的问题，那就是过期键未能及时释放，这种问题会导致在Redis中存储的数据过多，最终导致Redis内存溢出，从而引发一些奇怪的问题。
2. Redis过期键的实现原理
Redis中，每个键都可以设置一个过期时间（TTL），Redis会定期检查所有的键值，如果发现某个键的过期时间小于当前时间，那么Redis就会删除这个键，释放其占用的内存。
Redis是如何实现过期键检查和删除的呢？Redis采用了惰性删除和定期删除两种方式。惰性删除指的是，当客户端请求一个过期的键时，Redis才会检查这个键是否过期并删除；定期删除指的是，Redis会定期地（默认每秒钟10次）随机抽取一些键来检查是否过期，如果过期就将其删除。
2.1 Redis惰性删除过期键
Redis惰性删除过期键的实现非常简单，在Redis内部维护一个键值对的过期时间，每当客户端请求一个键时，Redis会检查这个键是否过期，如果已经过期，就返回null，并删除这个键值对：
if key_ttl_expired(key) {
delete_key(key);
return NULL;
}
2.2 Redis定期删除过期键
Redis定期删除过期键的实现则稍微复杂一些，Redis采用了一种叫做“惰性删除+定期删除”的方法。具体来说，Redis每隔一段时间（默认每秒10次）会从数据库中随机抽取一些键来检查是否过期，如果过期则将其删除：
void active_expire_cycle(void) {
/* ... */
float maxtime = 1.0 / server.hz * 10; /* 1 */
if (maxtime < 0.1) maxtime = 0.1;
for (j = 0; j < server.active_expire_cycle_lookups_per_loop; j++) {
de = dictGetRandomKey(server.db[i].dict);
/* ... */
if (expireIfNeeded(server.db[i].dict,de)) keys++;
}
/* ... */
// 其中expireIfNeeded函数实现如下
static int prev_db = -1;
if (db != prev_db) { /* ... */ }
prev_db = db;
if (o != NULL && o->type == OBJ_STRING) {
/* ... */
if (getExpire(db,key) < now) {
/* ... */
dbDelete(db,key);
server.dirty++;
deleted++;
}
}
return deleted;
}
从上面的代码可以看出，Redis的定期删除过期键采用了随机抽样的方式，把检查是否过期的任务均摊到了多个循环中执行，在保证性能的前提下，较为均衡地处理了每个键的过期删除任务。另外，当Redis发现某个键过期后，会调用dbDelete函数删除该键，具体实现如下：
void dbDelete(redisDb *db, robj *key) {
/* ... */
propagate_notify_keyspace_event(REDIS_NOTIFY_GENERIC,
"del",key,db->id);
touchWatchedKey(key);
notifyKeyspaceEvent(REDIS_NOTIFY_GENERIC,"del",key,db->id);
signalModifiedKey(db,key);
deleteKey(db,key);
}
/* 删除key的实现 */
void deleteKey(redisDb *db, robj *key) {
dictEntry *de = dictUnlink(db->dict,key->ptr);
/* ... */
decrRefCount(key);
decrRefCount(val);
zfree(de);
}
3. Redis过期键未释放的原因
从上面的代码可以看出，Redis过期键的删除是由Redis内部主动触发的，这样可以确保过期键及时被删除。那么为什么Redis会存在过期键未能及时释放的问题呢？其主要原因包括：
3.1 数据过期时间设置不当
Redis中的每个键都可以设置一个过期时间（TTL），如果设置的时间过长，那么过期键不仅会占用Redis的内存，还可能会影响性能；如果设置的时间过短，那么Redis可能需要频繁地删除过期键，浪费系统资源。因此，在Redis中设置过期时间时，一定要考虑好数据的实际情况，设置一个合理的过期时间。
3.2 Redis内存不足
当Redis的内存不足时，Redis就不得不删除一些键释放内存，于是就会出现过期键未能及时释放的问题。因此，在使用Redis时，一定要根据实际情况来分配Redis的内存空间，以免出现这种问题。
3.3 客户端过少或者不活跃
在Redis中，过期键的删除是由Redis内部主动触发的，因此如果客户端过少或者不活跃，那么Redis可能会出现过期键未能及时释放的问题。解决这种问题的方法是增加客户端的并发度，或者定期地向Redis发送一些命令来保持连接活跃。
3.4 Redis内部故障
最后，Redis内部故障也可能会导致过期键未能及时释放的问题。比如，如果Redis的某个子系统出现了故障，可能会导致Redis无法正常地检查和删除过期键。这种情况比较少见，一般来说只要保证Redis的稳定性和健康性，就能避免这种问题。
4. 解决Redis过期键未释放的方法
针对Redis过期键未能及时释放的问题，可以采取以下方法来解决：
4.1 设置合理的过期时间
在使用Redis时，一定要根据实际情况设置合理的过期时间。如果数据更新较频繁，那么可以设置较短的过期时间；如果数据更新较少，那么可以设置较长的过期时间。此外，还可以根据不同的业务需求设置不同的过期时间。
4.2 增加Redis的内存空间
当Redis的内存不足时，可以通过增加Redis的内存空间来解决过期键未能及时释放的问题。但是需要注意的是，增加内存空间可能会导致其他一些问题，比如内存占用率过高等。
4.3 增加客户端并发度
通过增加客户端并发度，可以提高Redis的处理能力，缓解过期键未能及时释放的问题。此外，还可以定期地向Redis发送一些命令来保持连接活跃。
4.4 定期清理过期键
为了确保过期键及时地被删除，可以定期地清理过期键。在Redis中，可以通过使用TTL索引和Lua脚本来删除一批过期键；如果需要删除大量过期键，可以使用Redis的分布式特性。
4.5 定期检查Redis内部健康状态
为了避免Redis内部故障导致过期键未能及时释放，可以定期检查Redis内部的健康状态。比如，可以检查CPU使用率、内存使用率、网络状态等，当发现异常时，及时采取措施进行修复。
5. 结论
Redis是一种高性能的、基于内存的Key-Value存储系统，支持多种数据结构，但是也存在过期键未能及时释放的问题。针对这种问题，可以采取多种方法来解决，如设置合理的过期时间、增加Redis的内存空间、增加客户端并发度、定期清理过期键、定期检查Redis内部健康状态等。通过以上的措施，可以缓解Redis的过期键未能及时释放问题，提高Redis的稳定性和健康性。