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Redis中LFU算法的深入分析

發布時間:2020-09-06 06:31:31 來源:腳本之家 閱讀:244 作者:再見紫羅蘭 欄目:數據庫

前言

Redis中的LRU算法文中說到,LRU有一個缺陷,在如下情況下:

~~~~~A~~~~~A~~~~~A~~~~A~~~~~A~~~~~A~~|
~~B~~B~~B~~B~~B~~B~~B~~B~~B~~B~~B~~B~|
~~~~~~~~~~C~~~~~~~~~C~~~~~~~~~C~~~~~~|
~~~~~D~~~~~~~~~~D~~~~~~~~~D~~~~~~~~~D|

會將數據D誤認為將來最有可能被訪問到的數據。

Redis作者曾想改進LRU算法,但發現Redis的LRU算法受制于隨機采樣數maxmemory_samples,在maxmemory_samples等于10的情況下已經很接近于理想的LRU算法性能,也就是說,LRU算法本身已經很難再進一步了。

于是,將思路回到原點,淘汰算法的本意是保留那些將來最有可能被再次訪問的數據,而LRU算法只是預測最近被訪問的數據將來最有可能被訪問到。我們可以轉變思路,采用一種LFU(Least Frequently Used)算法,也就是最頻繁被訪問的數據將來最有可能被訪問到。在上面的情況中,根據訪問頻繁情況,可以確定保留優先級:B>A>C=D。

Redis中的LFU思路

在LFU算法中,可以為每個key維護一個計數器。每次key被訪問的時候,計數器增大。計數器越大,可以約等于訪問越頻繁。

上述簡單算法存在兩個問題:

  • 在LRU算法中可以維護一個雙向鏈表,然后簡單的把被訪問的節點移至鏈表開頭,但在LFU中是不可行的,節點要嚴格按照計數器進行排序,新增節點或者更新節點位置時,時間復雜度可能達到O(N)。
  • 只是簡單的增加計數器的方法并不完美。訪問模式是會頻繁變化的,一段時間內頻繁訪問的key一段時間之后可能會很少被訪問到,只增加計數器并不能體現這種趨勢。

第一個問題很好解決,可以借鑒LRU實現的經驗,維護一個待淘汰key的pool。第二個問題的解決辦法是,記錄key最后一個被訪問的時間,然后隨著時間推移,降低計數器。

Redis對象的結構如下:

typedef struct redisObject {
  unsigned type:4;
  unsigned encoding:4;
  unsigned lru:LRU_BITS; /* LRU time (relative to global lru_clock) or
              * LFU data (least significant 8 bits frequency
              * and most significant 16 bits access time). */
  int refcount;
  void *ptr;
} robj;

在LRU算法中,24 bits的lru是用來記錄LRU time的,在LFU中也可以使用這個字段,不過是分成16 bits與8 bits使用:

      16 bits   8 bits
   +----------------+--------+
   + Last decr time | LOG_C |
   +----------------+--------+

高16 bits用來記錄最近一次計數器降低的時間ldt,單位是分鐘,低8 bits記錄計數器數值counter。

LFU配置

Redis4.0之后為maxmemory_policy淘汰策略添加了兩個LFU模式:

  • volatile-lfu:對有過期時間的key采用LFU淘汰算法
  • allkeys-lfu:對全部key采用LFU淘汰算法

還有2個配置可以調整LFU算法:

lfu-log-factor 10
lfu-decay-time 1

lfu-log-factor可以調整計數器counter的增長速度,lfu-log-factor越大,counter增長的越慢。

lfu-decay-time是一個以分鐘為單位的數值,可以調整counter的減少速度

源碼實現

在lookupKey中:

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 (server.rdb_child_pid == -1 &&
      server.aof_child_pid == -1 &&
      !(flags & LOOKUP_NOTOUCH))
    {
      if (server.maxmemory_policy & MAXMEMORY_FLAG_LFU) {
        updateLFU(val);
      } else {
        val->lru = LRU_CLOCK();
      }
    }
    return val;
  } else {
    return NULL;
  }
}

當采用LFU策略時,updateLFU更新lru:

/* 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;
}

降低LFUDecrAndReturn

首先,LFUDecrAndReturn對counter進行減少操作:

/* If the object decrement time is reached decrement the LFU counter but
 * do not update LFU fields of the object, we update the access time
 * and counter in an explicit way when the object is really accessed.
 * And we will times halve the counter according to the times of
 * elapsed time than server.lfu_decay_time.
 * Return the object frequency counter.
 *
 * This function is used in order to scan the dataset for the best object
 * to fit: as we check for the candidate, we incrementally decrement the
 * 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;
}

函數首先取得高16 bits的最近降低時間ldt與低8 bits的計數器counter,然后根據配置的lfu_decay_time計算應該降低多少。

LFUTimeElapsed用來計算當前時間與ldt的差值:

/* Return the current time in minutes, just taking the least significant
 * 16 bits. The returned time is suitable to be stored as LDT (last decrement
 * time) for the LFU implementation. */
unsigned long LFUGetTimeInMinutes(void) {
  return (server.unixtime/60) & 65535;
}

/* Given an object last access time, compute the minimum number of minutes
 * that elapsed since the last access. Handle overflow (ldt greater than
 * the current 16 bits minutes time) considering the time as wrapping
 * exactly once. */
unsigned long LFUTimeElapsed(unsigned long ldt) {
  unsigned long now = LFUGetTimeInMinutes();
  if (now >= ldt) return now-ldt;
  return 65535-ldt+now;
}

具體是當前時間轉化成分鐘數后取低16 bits,然后計算與ldt的差值now-ldt。當ldt > now時,默認為過了一個周期(16 bits,最大65535),取值65535-ldt+now。

然后用差值與配置lfu_decay_time相除,LFUTimeElapsed(ldt) / server.lfu_decay_time,已過去n個lfu_decay_time,則將counter減少n,counter - num_periods。

增長LFULogIncr

增長函數LFULogIncr如下:

/* 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;
}

counter并不是簡單的訪問一次就+1,而是采用了一個0-1之間的p因子控制增長。counter最大值為255。取一個0-1之間的隨機數r與p比較,當r<p時,才增加counter,這和比特幣中控制產出的策略類似。p取決于當前counter值與lfu_log_factor因子,counter值與lfu_log_factor因子越大,p越小,r<p的概率也越小,counter增長的概率也就越小。增長情況如下:

+--------+------------+------------+------------+------------+------------+
| 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        |
+--------+------------+------------+------------+------------+------------+

可見counter增長與訪問次數呈現對數增長的趨勢,隨著訪問次數越來越大,counter增長的越來越慢。

新生key策略

另外一個問題是,當創建新對象的時候,對象的counter如果為0,很容易就會被淘汰掉,還需要為新生key設置一個初始counter,createObject:

robj *createObject(int type, void *ptr) {
  robj *o = zmalloc(sizeof(*o));
  o->type = type;
  o->encoding = OBJ_ENCODING_RAW;
  o->ptr = ptr;
  o->refcount = 1;

  /* Set the LRU to the current lruclock (minutes resolution), or
   * alternatively the LFU counter. */
  if (server.maxmemory_policy & MAXMEMORY_FLAG_LFU) {
    o->lru = (LFUGetTimeInMinutes()<<8) | LFU_INIT_VAL;
  } else {
    o->lru = LRU_CLOCK();
  }
  return o;
}

counter會被初始化為LFU_INIT_VAL,默認5。

pool

pool算法就與LRU算法一致了:

    if (server.maxmemory_policy & (MAXMEMORY_FLAG_LRU|MAXMEMORY_FLAG_LFU) ||
      server.maxmemory_policy == MAXMEMORY_VOLATILE_TTL)

計算idle時有所不同:

    } else if (server.maxmemory_policy & MAXMEMORY_FLAG_LFU) {
      /* When we use an LRU policy, we sort the keys by idle time
       * so that we expire keys starting from greater idle time.
       * However when the policy is an LFU one, we have a frequency
       * estimation, and we want to evict keys with lower frequency
       * first. So inside the pool we put objects using the inverted
       * frequency subtracting the actual frequency to the maximum
       * frequency of 255. */
      idle = 255-LFUDecrAndReturn(o);

使用了255-LFUDecrAndReturn(o)當做排序的依據。

參考鏈接

  • Random notes on improving the Redis LRU algorithm
  • Using Redis as an LRU cache

總結

以上就是這篇文章的全部內容了,希望本文的內容對大家的學習或者工作具有一定的參考學習價值,謝謝大家對億速云的支持。

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