Aman Kumar Singh

Redis 將所有資料都儲存在記憶體中，這引發了一個明顯的問題：什麼機制能防止它填滿記憶體而導致當機？答案是兩種機制共同運作。過期機制讓金鑰在設定時間後自動刪除，這使得 Redis 作為快取時更安全。淘汰機制則決定當 Redis 達到記憶體限制時，要丟棄哪些資料。了解這兩種機制，才能讓快取靜默管理記憶體，而不會在最糟糕的時刻因記憶體不足錯誤而當機。

這是 Redis 大師班基礎模組的第 8 篇也是最後一篇，接續 sorted sets。

設定過期時間

您可以為金鑰附加存活時間（time-to-live），當時間到達時 Redis 會自動刪除它：

SET session:abc "..." EX 3600     # expires in 3600 seconds
EXPIRE user:1:cache 300           # set a 5-minute TTL on an existing key
TTL user:1:cache                  # seconds remaining, -1 if none, -2 if gone
PERSIST user:1:cache              # remove the TTL, make it permanent

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過期機制是 Redis 成為安全快取的關鍵。將資料庫查詢結果快取並設定 5 分鐘 TTL，它會自動刷新：5 分鐘後金鑰消失，下一個請求會未命中快取並重新填入。您無需手動清理快取資料，也不會讓過時的項目永久累積。幾乎每個快取金鑰都應該有 TTL，因為沒有過期時間的快取只是最終會用光的記憶體。

過期機制實際如何運作

一個實用的細節：Redis 不會持續掃描過期的金鑰。它使用兩種機制。惰性過期（Lazy expiration）在有人嘗試存取金鑰時刪除過期金鑰（存取時會檢查 TTL，若已過期則移除）。主動過期（Active expiration）則執行背景工作，定期取樣金鑰並移除發現的過期金鑰。

實際結果是，過期的金鑰在被其中一種機制捕捉之前仍會佔用記憶體。通常這過程非常快速，但大量金鑰同時過期可能會短暫佔用記憶體並造成刪除作業的尖峰。將過期時間分散（在 TTL 中加入少量隨機性）可避免同時過期的「雷鳴群集」效應，這也有助於防止稍後會討論的快取雪崩問題。

記憶體限制及其發生時的處理

您可以使用 maxmemory 限制 Redis 的記憶體。這在生產環境中至關重要：沒有設定時，Redis 會盡情使用所有可用 RAM，然後作業系統會終止它。請設定足夠的餘量給作業系統和 Redis 本身的額外開銷：

maxmemory 4gb
maxmemory-policy allkeys-lru

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maxmemory-policy 決定 Redis 達到限制且新寫入需要空間時的處理方式。這就是淘汰政策，正確選擇它決定了是優雅處理還是發生錯誤。

淘汰政策

當 Redis 達到 maxmemory 時，政策決定要移除哪些資料（或是否讓寫入失敗）：

  • noeviction：達到上限後拒絕寫入並回傳錯誤。讀取仍可正常運作。適用於 Redis 存放無法承受遺失的資料（佇列、資料來源）時，寧願寫入失敗也不願丟棄資料。
  • allkeys-lru：淘汰所有金鑰中最近最少使用的金鑰。這是純快取的標準選擇：保留熱門資料，丟棄冷門資料。
  • allkeys-lfu：淘汰所有金鑰中使用頻率最低的金鑰。通常比 LRU 更適合快取，因為它會保留持續受歡迎的金鑰，而非僅最近被存取一次的金鑰。
  • volatile-lru / volatile-lfu / volatile-ttl：僅淘汰已設定 TTL 的金鑰，依據最近最少使用、最低使用頻率或最接近過期時間。適用於在單一實例中混合快取資料（有 TTL、可淘汰）與持久資料（無 TTL、受保護）的情況。

選擇取決於您如何使用該實例。專用快取適合 allkeys-lru 或 allkeys-lfu。混合快取與重要資料的實例適合 volatile-* 政策，讓只有可捨棄的 TTL 金鑰會被淘汰。存放無法承受遺失資料的實例適合 noeviction，並搭配監控以在填滿前發出警示。

LRU 與 LFU 簡介

LRU 淘汰最近未被碰觸的金鑰；LFU 則淘汰碰觸頻率最低的金鑰。LFU（自 Redis 4 開始加入）通常是更好的快取政策，因為它能保護長期受歡迎的金鑰，避免被單次突發存取所淘汰。如果您正在執行快取且尚未刻意選擇，allkeys-lfu 是良好的預設值。LRU 依然適用且更為人熟知。

整合快取的實務應用

運作良好的 Redis 快取會結合上述所有機制：每個快取金鑰都設定 TTL，讓資料自動刷新且過時項目自我清理；設定 maxmemory 並保留餘量，讓 Redis 不會耗盡機器記憶體；使用 allkeys-lru 或 allkeys-lfu 政策，在記憶體吃緊時優雅地淘汰冷門資料。有了這三項機制，Redis 就能自行管理記憶體：熱門資料保留，冷門資料老化或被淘汰，實例可在無需手動清理或記憶體不足當機的情況下無限期運作。

過期與淘汰是讓記憶體儲存實用的安全機制。TTL 讓快取資料保持新鮮且自我清理；maxmemory 與淘汰政策讓 Redis 在資料超出 RAM 時仍能維持在限制範圍內。根據實例是純快取還是存放無法承受遺失的資料，刻意設定這兩項機制，Redis 就能在真實負載下保持健康。

這完成了基礎模組。下一階段，我們將開始快取模組，介紹最常見的快取使用方式——cache-aside 模式。

重點摘要

  • TTL（EX、EXPIRE）讓金鑰自動刪除，這是 Redis 成為安全快取的關鍵；幾乎每個快取金鑰都應該有 TTL。
  • Redis 透過惰性過期（存取時）和主動過期（背景取樣）來淘汰金鑰，因此過期金鑰在被回收前仍會短暫佔用記憶體。
  • 生產環境務必設定 maxmemory 並保留餘量，否則作業系統最終會因 Redis 使用所有 RAM 而終止它。
  • maxmemory-policy 決定淘汰方式：allkeys-lru/allkeys-lfu 適用於快取，volatile-* 適用於混合實例，noeviction 適用於無法承受遺失的資料。
  • LFU 通常優於 LRU，因為它能保護持續受歡迎的金鑰，避免因單次突發存取而被淘汰。

常見問題

如何讓 Redis 金鑰過期？

使用 SET key value EX seconds 或對現有金鑰執行 EXPIRE key seconds 來設定 TTL。時間到達時 Redis 會自動刪除金鑰。使用 TTL 檢查剩餘時間，並使用 PERSIST 移除過期時間。

為什麼快取金鑰需要 TTL？

讓快取資料自動刷新，且過時項目不會永久累積。TTL 到期後金鑰消失，下一個請求會重新填入。沒有過期時間的快取只是最終會填滿的記憶體。

當 Redis 達到記憶體限制時會發生什麼事？

它會套用 maxmemory-policy：可能淘汰金鑰（LRU、LFU 或基於 TTL，適用於所有金鑰或僅有 TTL 的金鑰），或在 noeviction 政策下拒絕新寫入並回傳錯誤。設定 maxmemory 讓此行為受控，而非讓作業系統終止 Redis。

應該使用哪種淘汰政策？

純快取建議使用 allkeys-lru 或 allkeys-lfu。混合快取與持久資料的實例建議使用 volatile-* 政策，讓只有帶 TTL 的金鑰會被淘汰。無法承受資料遺失時，建議使用 noeviction 並搭配監控。LFU 通常是快取的最佳預設值。

LRU 與 LFU 淘汰有什麼差異？

LRU 淘汰最近最少存取的金鑰；LFU 則淘汰使用頻率最低的金鑰。LFU 通常更適合快取，因為它能保留持續受歡迎的金鑰，而非在其他金鑰發生單次突發存取後將它們丟棄。

延伸閱讀

This article was originally published on amanksingh.com/blog/redis-key-expiration-ttl.

關於作者

Aman Kumar Singh 是印度諾伊達的團隊主管兼資深軟體工程師，撰寫有關全端工程、系統設計，以及使用 TypeScript、Next.js、NestJS、PostgreSQL 和 Redis 建置生產級 SaaS 的文章。