Redis近似LRU算法优化

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背景

在前一篇文章《Redis作为LRU Cache的实现》中，我们看到了在Redis 2.8.19中LRU算法的具体实现，Redis使用了24 bit的lru时间戳来模拟一个近似的LRU算法，节省了实现一个严格LRU算法所需要的大量内存空间。

但是，上篇文章我们也挖了一个坑，说过现有的近似算法模拟效果还有待提高，今天这篇文章就是来填上这个坑，讲一下在Redis 3.0中对近似LRU算法的优化，既提升了算法的性能也提升了模拟效果。

Redis 3.0 LRU算法优化实现

Redis 3.0中主要做了如下优化：

• LRU时钟的粒度从秒级提升为毫秒级
• 使用新的API来获取LRU替换时的采样样本
• 默认的LRU采样样本数从3提升为5
• 使用eviction pool来选取需要淘汰的key

提升LRU时钟的粒度，主要是为了在测试LRU算法性能时，能够在更短的时间内获取结果，更新LRU时钟的方法也有所变化，如果LRU时钟的时间粒度高于serverCron刷新的时间粒度，那么就主动获取最新的时间，否则使用server缓存的时间，

/* Macro used to obtain the current LRU clock.
 * If the current resolution is lower than the frequency we refresh the
 * LRU clock (as it should be in production servers) we return the
 * precomputed value, otherwise we need to resort to a system call. */
#define LRU_CLOCK() ((1000/server.hz <= LRU_CLOCK_RESOLUTION) ? server.lruclock : getLRUClock())

unsigned int getLRUClock(void) {
    return (mstime()/LRU_CLOCK_RESOLUTION) & LRU_CLOCK_MAX;
}

在源码的utils/lru目录下有测试脚本，测试前需要把src/redis.h中的REDIS_LRU_CLOCK_RESOLUTION宏设置为1，即LRU时钟的分辨率为1ms，然后重新编译源码，执行方式如下，

ruby test-lru.rb > /tmp/lru.html

测试完成后会生成一个html页面，包含测试结果，以及一个图形化的插入淘汰流程

在Redis 2.8中每次选取淘汰样本时，都是调用dictGetRandomKey来随机获取一个key，会根据maxmemory-samples配置的大小，多次调用。这个流程在Redis 3.0中被优化为一次调用获取指定数量的key，且不需要每次都调用随机函数，如下，

unsigned int dictGetSomeKeys(dict *d, dictEntry **des, unsigned int count) {
    unsigned long j; /* internal hash table id, 0 or 1. */
    unsigned long tables; /* 1 or 2 tables? */
    unsigned long stored = 0, maxsizemask;
    unsigned long maxsteps;

    if (dictSize(d) < count) count = dictSize(d);
    maxsteps = count*10;

    /* Try to do a rehashing work proportional to 'count'. */
    for (j = 0; j < count; j++) {
        if (dictIsRehashing(d))
            _dictRehashStep(d);
        else
            break;
    }

    tables = dictIsRehashing(d) ? 2 : 1;
    maxsizemask = d->ht[0].sizemask;
    if (tables > 1 && maxsizemask < d->ht[1].sizemask)
        maxsizemask = d->ht[1].sizemask;

    /* Pick a random point inside the larger table. */
    unsigned long i = random() & maxsizemask;
    unsigned long emptylen = 0; /* Continuous empty entries so far. */
    while(stored < count && maxsteps--) {
        for (j = 0; j < tables; j++) {
            if (tables == 2 && j == 0 && i < (unsigned long) d->rehashidx) {
                if (i >= d->ht[1].size) i = d->rehashidx;
                continue;
            }
            if (i >= d->ht[j].size) continue; /* Out of range for this table. */
            dictEntry *he = d->ht[j].table[i];

            /* Count contiguous empty buckets, and jump to other
             * locations if they reach 'count' (with a minimum of 5). */
            if (he == NULL) {
                emptylen++;
                if (emptylen >= 5 && emptylen > count) {
                    i = random() & maxsizemask;
                    emptylen = 0;
                }
            } else {
                emptylen = 0;
                while (he) {
                    /* Collect all the elements of the buckets found non
                     * empty while iterating. */
                    *des = he;
                    des++;
                    he = he->next;
                    stored++;
                    if (stored == count) return stored;
                }
            }
        }
        i = (i+1) & maxsizemask;
    }
    return stored;
}

dictGetSomeKeys会随机从db的某个起始位置开始，连续获取指定数量的key，需要注意的是，如果db对应的字典正在做rehash，可能需要从两个hashtable来获取key。如果需要根据某种分布来随机获取字典里面的key，这种采样方式可能是不合适的，但是如果只是为了随机获取一系列key来作为LRU算法的淘汰样本，这种方式是可行的。

采样性能的提升带来的好处就是，我们可以在不牺牲淘汰算法性能的情况下，提高采样的样本数，让Redis的近似LRU算法更接近于严格LRU算法，所以目前Redis把超过maxmemory后默认的采样样本数从3个提升到5个。

最后一个也是最重要的改进是，选取要淘汰key的流程。之前是每次随机选取maxmemory-samples个key，然后比较它们的idle时间，idle时间最久的key会被淘汰掉。在Redis 3.0中增加了一个eviction pool的结构，eviction pool是一个数组，保存了之前随机选取的key及它们的idle时间，数组里面的key按idle时间升序排序，当内存满了需要淘汰数据时，会调用dictGetSomeKeys选取指定的数目的key，然后更新到eviction pool里面，如果新选取的key的idle时间比eviction pool里面idle时间最小的key还要小，那么就不会把它插入到eviction pool里面，这个思路和LIRS替换算法利用的每个块的历史信息思想有些类似，

eviction pool更新逻辑代码如下，

#define EVICTION_SAMPLES_ARRAY_SIZE 16
void evictionPoolPopulate(dict *sampledict, dict *keydict, struct evictionPoolEntry *pool) {
    int j, k, count;
    dictEntry *_samples[EVICTION_SAMPLES_ARRAY_SIZE];
    dictEntry **samples;

    /* Try to use a static buffer: this function is a big hit...
     * Note: it was actually measured that this helps. */
    if (server.maxmemory_samples <= EVICTION_SAMPLES_ARRAY_SIZE) {
        samples = _samples;
    } else {
        samples = zmalloc(sizeof(samples[0])*server.maxmemory_samples);
    }

    count = dictGetSomeKeys(sampledict,samples,server.maxmemory_samples);
    for (j = 0; j < count; j++) {
        unsigned long long idle;
        sds key;
        robj *o;
        dictEntry *de;

        de = samples[j];
        key = dictGetKey(de);
        /* If the dictionary we are sampling from is not the main
         * dictionary (but the expires one) we need to lookup the key
         * again in the key dictionary to obtain the value object. */
        if (sampledict != keydict) de = dictFind(keydict, key);
        o = dictGetVal(de);
        idle = estimateObjectIdleTime(o);

        /* Insert the element inside the pool.
         * First, find the first empty bucket or the first populated
         * bucket that has an idle time smaller than our idle time. */
        k = 0;
        while (k < MAXMEMORY_EVICTION_POOL_SIZE &&
               pool[k].key &&
               pool[k].idle < idle) k++;
        if (k == 0 && pool[MAXMEMORY_EVICTION_POOL_SIZE-1].key != NULL) {
            /* Can't insert if the element is < the worst element we have
             * and there are no empty buckets. */
            continue;
        } else if (k < MAXMEMORY_EVICTION_POOL_SIZE && pool[k].key == NULL) {
            /* Inserting into empty position. No setup needed before insert. */
        } else {
            /* Inserting in the middle. Now k points to the first element
             * greater than the element to insert.  */
            if (pool[MAXMEMORY_EVICTION_POOL_SIZE-1].key == NULL) {
                /* Free space on the right? Insert at k shifting
                 * all the elements from k to end to the right. */
                memmove(pool+k+1,pool+k,
                    sizeof(pool[0])*(MAXMEMORY_EVICTION_POOL_SIZE-k-1));
            } else {
                /* No free space on right? Insert at k-1 */
                k--;
                /* Shift all elements on the left of k (included) to the
                 * left, so we discard the element with smaller idle time. */
                sdsfree(pool[0].key);
                memmove(pool,pool+1,sizeof(pool[0])*k);
            }
        }
        pool[k].key = sdsdup(key);
        pool[k].idle = idle;
    }
    if (samples != _samples) zfree(samples);
}

当选取的淘汰策略和LRU相关时（allkeys-lru或volatile-lru），freeMemoryIfNeeded会调用evictionPoolPopulate来更新eviction pool，然后淘汰掉eviction pool里面的最后一个元素所对应的key，这样的选取淘汰key的方式的好处是：假设说新随机选取的key的访问时间可能比历史随机选取的key的访问时间还要新，但是在Redis 2.8中，新选取的key会被淘汰掉，这和LRU算法利用的访问局部性原理是相违背的，在Redis 3.0中，这种情况被避免了。

此外，如果某个历史选取的key的idle时间相对来说比较久，但是本次淘汰并没有被选中，因为出现了idle时间更久的key，那么在使用eviction pool的情况下，这种idle时间比较久的key淘汰概率增大了，因为它在eviction pool里面被保存下来，参与下轮淘汰，这个思路和访问局部性原理是契合的。

和Redis 2.8相比，改进的效果我们可以引用一下上篇文章《Redis作为LRU Cache的实现》中第一张图的下半部分，

我们可以看到在前面1/2需要淘汰的key里面（浅灰色的点），Redis 3.0残留下来的key明显比Redis 2.8少了很多，而且后面新插入的1/2的key里面（绿色的点），Redis 3.0没有一个淘汰的key。

总结

Redis 3.0中对于LRU替换算法的优化，在只维护一个eviction pool带来的少量开销情况下，对算法效率的提升是比较明显的，效率的提升带来的是访问命中率的提升。同时，在目前3.4的unstable版本中我们也可以看见Redis计划实现LFU算法以支持更丰富的业务场景，阿里云Redis服务团队也会持续跟进。此外，对于LIRS这种基于LRU的改进算法，在不影响性能的前提下，我们也会研究在内核上做支持。