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Redis 深入了解键的过期时间

Redis 执行 命令
2023-03-15 21:58:22 时间

在实际开发中经常会遇到一些有时效的数据，比如，限时优惠活动，缓存或验证码等，过了一定时间就需要删除这些数据。在关系性数据库中一般需要额外的一个字段记录到期时间，然后定期检测删除过期数据。在 Redis 中提供了键的过期时间这个功能来解决这个问题。通过这个功能，可以让特定的键在指定的时间之后自动删除，而不需要手动执行删除操作。

1. 设置生存(过期)时间

Redis 有四个不同的命令可以用于设置键的生存时间（键可以存在多久）或过期时间（键什么时候会被删除）：

  • 生存时间
    • EXPIRE 命令用于将键的生存时间设置为 ttl 秒，即保存 ttl 秒后被删除。
    • PEXPIRE 命令用于将键的生存时间设置为 ttl 毫秒，即保存 ttl 毫秒后被删除。
  • 过期时间
    • EXPIREAT 命令用于将键的过期时间设置为 timestamp 所指定的秒数时间戳，即在 timestamp 秒时间戳过期。
    • PEXPIREAT 命令用于将键的过期时间设置为 timestamp 所指定的毫秒数时间戳，即在 timestamp 毫秒时间戳过期。

虽然有多种不同单位和不同形式的设置命令，但实际上 EXPIRE、PEXPIRE、EXPIREAT 三个命令都是使用 PEXPIREAT 命令来实现的：

(1) EXPIRE 命令转换成 PEXPIRE 命令：

def EXPIRE(key, ttl_in_sec):
    # 将TTL从秒转换成毫秒
    ttl_in_ms = sec_to_ms(ttl_in_sec)
    PEXPIRE(key,ttl_in_ms)

(2) PEXPIRE 命令转换成 PEXPIREAT 命令：

def PEXPIRE(key, ttl_in_ms):
    # 获取以毫秒计算的当前UNIX时间戳
    now_ms = get_current_unix_timestamp_in_ms()
    # 当前时间加上TTL，得出毫秒格式的键过期时间
    PEXPIREAT(key, now_ms + ttl_in_ms)

(3) EXPIREAT 命令转换成 PEXPIREAT 命令：

def EXPIREAT(key, expire_time_in_sec):
    # 将过期时间从秒转换为毫秒
    expire_time_in_ms = sec_to_ms(expire_time_in_sec)
    PEXPIREAT(key, expire_time_in_ms)

通过 EXPIRE 命令或者 PEXPIRE 命令，可以以秒级或者毫秒级为某个键设置生存时间（TimeToLive，TTL），在经过指定的秒数或者毫秒数之后，服务器就会自动删除这个键：

127.0.0.1:6379> set k1 v1
OK
127.0.0.1:6379> expire k1 5 // 设置生存时间为5s，即5s后过期
(integer) 1
127.0.0.1:6379> get k1 // 5s 之内执行
"v1"
127.0.0.1:6379> get k1 // 5s 之外执行
(nil)
127.0.0.1:6379> set k1 v1
OK
127.0.0.1:6379> pexpire k1 5000 // 设置生存时间为5000ms，即5000ms后过期
(integer) 1
127.0.0.1:6379> get k1 // 5000ms 之内执行
"v1"
127.0.0.1:6379> get k1 // 5000ms 之外执行
(nil)

SETEX 命令可以在设置一个字符串键的同时为键设置过期时间，其原理与 EXPIRE 命令设置过期时间的原理是完全一样的。

EXPIREAT 命令或 PEXPIREAT 命令，可以以秒级或者毫秒级为某个键设置过期时间（expire time）。过期时间是一个 UNIX 时间戳，当键的过期时间来临时，服务器就会自动从数据库中删除这个键：

127.0.0.1:6379> set k1 v1
OK
127.0.0.1:6379> expireat k1 1636988400 // 设置过期时间戳(秒)为 1636988400，即到达 2021-11-15 23:00:00 后过期
(integer) 1
127.0.0.1:6379> get k1 // 设置时间点之前执行
"v1"
127.0.0.1:6379> get k1 // 设置时间点之后执行
(nil)
127.0.0.1:6379> set k1 v1
OK
127.0.0.1:6379> pexpireat k1 1636988580000 // 设置过期时间戳(毫秒)为 1636988580000，即到达 2021-11-15 23:03:00 后过期
(integer) 1
127.0.0.1:6379> get k1
"v1"
127.0.0.1:6379> get k1
(nil)

2. 保存过期时间

redisDb 结构的 expires 字典保存了数据库中所有键的过期时间，这个字典称为过期字典：

  • 过期字典的键是一个指针，这个指针指向键空间中的某个键对象（也即是某个数据库键）。
  • 过期字典的值是一个 longlong 类型的整数，这个整数保存了键所指向的数据库键的过期时间，一个毫秒精度的 UNIX 时间戳。
typedef struct redisDb {
    // ...
    // 数据库键空间，保存着数据库中的所有键值对
    dict *dict;
    // 过期字典，保存着键的过期时间
    dict *expires;
    // ...
} redisDb;

下图展示了一个带有过期字典的数据库例子，在这个例子中，键空间保存了数据库中的所有键值对（在这展示了两个键值对）：

  • 第一个键值对的键为 a 键对象，数据类型为一个 List
  • 第二个键值对的键为 b 键对象，数据类型为一个 Hash

而过期字典则保存了数据库键的过期时间，在这保存了两个键值对：

  • 第一个键值对的键为 a 键对象，值为 1637071200000，这表示键 a 的过期时间为 1637071200000（2021-11-16 22:00:00）。
  • 第二个键值对的键为 b 键对象，值为 1637071800000，这表示键 b 的过期时间为 1637071800000（2021-11-16 22:10:00）。

为了展示方便，上图的键空间和过期字典中重复出现了两次 a 键对象 和 b 键对象。在实际中，键空间的键和过期字典的键都指向同一个键对象，所以不会出现任何重复对象，也不会浪费任何空间。

当客户端执行 PEXPIREAT 命令（或者其他三个会转换成 PEXPIREAT 命令的命令）为一个键设置过期时间时，服务器会在数据库的过期字典中关联给定的键和过期时间。举个例子，如果在服务器执行以下命令之后：

127.0.0.1:6379> set c c-v
OK
127.0.0.1:6379> pexpireat c 1637077800000 // 设置过期时间戳(毫秒)为 1637077800000，即到达 2021-11-16 23:50:00 后过期
(integer) 0
127.0.0.1:6379> get c
"c-v"

过期字典将新增一个键值对，其中键为 c 键对象，而值则为 1637077800000（2021-11-16 23:50:00），如下图所示。

以下是 PEXPIREAT 命令的伪代码定义：

def PEXPIREAT(key, expire_time_in_ms):
    # 如果给定的键不存在于键空间，那么不能设置过期时间
    if key not in redisDb.dict:
        return 0
    # 在过期字典中关联键和过期时间
    redisDb.expires[key] = expire_time_in_ms
    # 过期时间设置成功
    return 1

3. 查看过期时间

如果想知道一个键还有多久时间会被删除，可以使用 TTL 或者 PTTL 命令，TTL 命令以秒为单位返回键的剩余生存时间，而 PTTL 命令则以毫秒为单位返回键的剩余生存时间：

127.0.0.1:6379> set k1 v1
OK
127.0.0.1:6379> expire k1 30 // 设置生存时间为30s，即30s后过期
(integer) 1
127.0.0.1:6379> ttl k1 // 使用 ttl 命令查看 k1 的过期时间
(integer) 27
127.0.0.1:6379> pttl k1 // 使用 pttl 命令查看 k1 的过期时间
(integer) 20807
127.0.0.1:6379> get k1 // 30s 之内执行
"v1"
127.0.0.1:6379> get k1 // 30s 之外执行
(nil)
127.0.0.1:6379> ttl k1
(integer) -2

随着时间的流逝，k1 键的生存时间逐渐减少，30 秒后会被删除。当键不存在时 TTL(PTTL) 命令会返回 -2。

TTL 和 PTTL 两个命令都是通过计算键的过期时间和当前时间之间的差来实现的，以下是这两个命令的伪代码实现：

def PTTL(key):
    # 键不存在于数据库
    if key not in redisDb.dict:
        return -2
    # 尝试取得键的过期时间
    # 如果键没有设置过期时间，那么 expire_time_in_ms 将为 None
    expire_time_in_ms = redisDb.expires.get(key)
    # 键没有设置过期时间
    if expire_time_in_ms is None:
        return -1
    # 获得当前时间
    now_ms = get_current_unix_timestamp_in_ms()
    # 过期时间减去当前时间，得出的差就是键的剩余生存时间
    return (expire_time_in_ms - now_ms)

def TTL(key):
    # 获取以毫秒为单位的剩余生存时间
    ttl_in_ms = PTTL(key)
    if ttl_in_ms < 0:
        # 处理返回值为-2和-1的情况
        return ttl_in_ms
    else:
        # 将毫秒转换为秒
        return ms_to_sec(ttl_in_ms)

当键不存在时，返回 -2；当键存在但没有设置剩余生存时间时，返回 -1；否则，以秒为单位，返回 key 的剩余生存时间。在 Redis 2.8 以前，当键不存在，或者键没有设置剩余生存时间时，命令都返回 -1。

举个例子，对于一个过期时间为 1637077800000（2021-11-16 23:50:00）的键 c 来说，如果当前时间为 1637077200000（2021-11-16 23:40:00）：

  • 对键 c 执行 PTTL 命令将返回 600000，这个值是通过用 c 键的过期时间减去当前时间计算得出的：1637077800000 - 1637077200000 = 600000。
  • 对键 c 执行TTL命令将返回 600，这个值是通过计算 c 键的过期时间减去当前时间的差，然后将差值从毫秒转换为秒之后得出的。

4. 清除过期时间

如果想取消键的过期时间，可以使用 PERSIST 命令，如下所示：

127.0.0.1:6379> EXPIRE k 50
(integer) 1
127.0.0.1:6379> GET k
"v"
127.0.0.1:6379> PERSIST k
(integer) 1
127.0.0.1:6379> TTL k
(integer) -1

PERSIST 命令就是 PEXPIREAT 命令的反操作：在过期字典中查找给定的键，然后解除键和值（过期时间）在过期字典中的关联。如果数据库当前的状态如上图所示，那么当服务器执行以下命令之后：

127.0.0.1:6379> PERSIST b
(integer) 1

那么数据库的状态将更新为如下图所示：

可以看到，当 PERSIST 命令行之后，过期字典中原来的 b 键值对消失了，这代表数据库键 b 的过期时间已经被移除。以下是 PERSIST 命令的伪代码定义：

def PERSIST(key):
    # 如果键不存在，或者键没有设置过期时间，那么直接返回
    if key not in redisDb.expires:
        return 0
    # 移除过期字典中给定键的键值对关联
    redisDb.expires.remove(key)
    # 键的过期时间移除成功
    return 1

从上我们可以知道如果过期时间被成功的清除则返回 1，否则返回 0。

5. 注意

5.1 覆盖命令会清除过期时间

在使用 DEL、SET、GETSET 等会覆盖键对应值的命令时，如果操作一个设置了过期时间的键，则对应键的过期时间会被清除： 

127.0.0.1:6379> set k1 v1
OK
127.0.0.1:6379> expire k1 30 // 设置生存时间为30s，即30s后过期
(integer) 1
127.0.0.1:6379> get k1 // 30s 之内执行
"v1"
127.0.0.1:6379> set k1 v2 // 30s 之内执行 重新赋值会清除过期时间
OK
127.0.0.1:6379> get k1 // 30s 之内执行
"v2"
127.0.0.1:6379> ttl k1 // 30s 之内执行
(integer) -1
127.0.0.1:6379> get k1 // 30s 之外执行
"v2"

5.2 修改命令不会清除过期时间

在使用 INCR、LPUSH、HSET 等只是修改键的值，而不是覆盖整个值的命令时，不会清除键的过期时间：

127.0.0.1:6379> set k1 1
OK
127.0.0.1:6379> expire k1 30 // 设置生存时间为30s，即30s后过期
(integer) 1
127.0.0.1:6379> get k1 // 30s 之内执行
"1"
127.0.0.1:6379> ttl k1 // 查看过期时间
(integer) 19
127.0.0.1:6379> incr k1 // 自增1
(integer) 2
127.0.0.1:6379> ttl k1 // 过期时间没有被清除
(integer) 8

5.3 RENAME命令转移老键的过期时间到新键上

使用 RENAME 命令会转移老键的过期时间到新键上。在使用例如：RENAME k1 k2 命令将 k1 重命名为 k2，不管 k2 有没有设置过期时间，新的键 k2 将会继承 k1 的所有特性：

127.0.0.1:6379> set k1 v1 ex 120 // 设置生存时间为120s，即120s后过期
OK
127.0.0.1:6379> set k2 v2 ex 60 // 设置生存时间为60s，即60s后过期
OK
127.0.0.1:6379> ttl k1
(integer) 113
127.0.0.1:6379> ttl k2
(integer) 53
127.0.0.1:6379> rename k1 k2 // k1 重命名 k2
OK
127.0.0.1:6379> ttl k2
(integer) 103

参考：

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