Redis에서 LRU 알고리즘을 설정하는 방법

1. LRU 알고리즘을 사용하도록 Redis 설정

LRU(Least Recent Used) 최근 사용 알고리즘은 많은 대체 알고리즘 중 하나입니다.
Redis에는 주로 사용되는 메모리를 고정된 크기로 제한하는 maxmemory 개념이 있습니다. Redis에서 사용하는 LRU 알고리즘은 대략적인 LRU 알고리즘입니다.

(1) maxmemory 설정

위에서 언급했듯이 maxmemory는 Redis의 최대 메모리 사용량을 제한하는 것입니다. 크기를 설정하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 한 가지 방법은 다음과 같이 CONFIG SET을 통해 설정하는 것입니다.

127.0.0.1:6379> CONFIG GET maxmemory
1) "maxmemory"
2) "0"
127.0.0.1:6379> CONFIG SET maxmemory 100MB
OK
127.0.0.1:6379> CONFIG GET maxmemory
1) "maxmemory"
2) "104857600"

다른 방법은 redis.conf 구성 파일을 수정하는 것입니다.

maxmemory 100mb

64비트 시스템에서는 maxmemory가 0으로 설정되어 Redis 메모리 사용량을 나타냅니다. 32비트 시스템에서는 최대 메모리가 암시적으로 3GB를 초과할 수 없습니다.
Redis 메모리 사용량이 지정된 한도에 도달하면 교체 전략을 선택해야 합니다.

(2) 교체 전략

Redis 메모리 사용량이 maxmemory에 도달하면 설정된 maxmemory-policy를 선택하여 기존 데이터를 교체해야 합니다.
선택할 수 있는 교체 전략은 다음과 같습니다.

• noeviction: 교체 없음, 즉 메모리가 상한에 도달하더라도 교체되지 않음을 의미합니다. 메모리를 늘릴 수 있는 모든 명령은 반환됩니다.

• allkeys-lru: 먼저 삭제 최근에 가장 적게 사용된 키를 사용하여 새 데이터를 저장합니다.

• 휘발성-lru: 만료된 키 중에서 최근에 가장 적게 사용된 키만 선택하여 삭제합니다. 새로운 데이터를 저장하기 위해

• allkeys-random: 새로운 데이터를 저장하기 위해 삭제할 전체 키 중에서 일부 키를 무작위로 선택

• 휘발성-random: 만료된 설정 키에서 삭제할 일부 키만 선택, 저장하려면 사용 새 데이터

• 휘발성-ttl: 만료된 키 중에서 생존 시간(TTL)이 가장 짧은 키만 선택하여 삭제하고 새 데이터를 저장합니다.

주의해야 할 사항:

(1) 방법 maxmemory-policy 설정은 maxmemory 설정 방법과 유사하며 redis.conf 또는 CONFIG SET을 통해 동적으로 수정할 수 있습니다.

(2) 삭제할 수 있는 일치하는 키가 없는 경우 휘발성-lru, 휘발성-랜덤 및 휘발성-ttl 전략은 noeviction 교체 전략과 동일합니다. 즉, 키가 교체되지 않습니다.

(3) 주로 애플리케이션의 액세스 모드에 따라 적절한 교체 전략을 선택하는 것이 매우 중요합니다. 물론 Redis 명령을 사용하여 교체 전략을 동적으로 수정하고 캐시 적중률을 출력할 수도 있습니다. INFO 상황에 따라 교체 전략을 조정할 수 있습니다.

일반적으로 다음과 같은 몇 가지 일반적인 경험이 있습니다.

• 모든 키가 최근에 가장 자주 사용된 경우 최근에 가장 자주 사용되지 않은 키를 교체하려면 allkeys-lru를 선택해야 합니다. 어떤 전략을 사용하려면 allkeys-lru를 사용하는 것이 좋습니다.

• 모든 키의 접근 확률이 비슷한 경우 allkeys-random 전략을 사용하여 데이터를 교체할 수 있습니다.

• 데이터에 대해 충분히 이해하고 키에 대한 힌트(expiration/ttl을 통해 지정)를 지정할 수 있는 경우 교체를 위해 휘발성-ttl을 선택할 수 있습니다.

휘발성-lru 및 휘발성-random은 캐싱과 지속성을 모두 위해 하나의 Redis 인스턴스를 사용할 때 자주 사용됩니다. 그러나 이 문제를 해결하려면 두 개의 Redis 인스턴스를 사용하는 것이 좋습니다.

만료 시간 만료를 설정하면 일부 메모리를 차지하지만 allkeys-lru를 사용하면 만료 시간을 설정할 필요가 없으므로 메모리를 더 효율적으로 사용할 수 있습니다.

(3) 교체 전략 작동 방식

다음과 같이 교체 전략이 실행되는 방식을 이해하는 것이 매우 중요합니다.

1. 클라이언트가 새 명령을 실행하면 데이터베이스에 데이터를 추가해야 합니다( 키 값 설정 등)

2. Redis는 메모리 사용량이 maxmemory를 초과하면 교체 전략에 따라 일부 키가 삭제됩니다

3. 새 명령이 성공적으로 실행됩니다

데이터를 쓰면 메모리가 maxmemory 의 상한에 도달하거나 초과하게 되지만 교체 전략을 사용하면 메모리 사용량이 상한 이하로 줄어듭니다.

한 번에 많은 메모리를 사용해야 하는 경우(예: 한 번에 큰 세트 쓰기) Redis의 메모리 사용량이 일정 기간 동안 최대 메모리 제한을 초과할 수 있습니다.

(4) 대략적인 LRU 알고리즘

Redis의 LRU는 엄격한 LRU 알고리즘 구현이 아니라 주로 메모리 사용량을 절약하고 성능을 향상시키기 위한 대략적인 LRU 구현입니다. Redis에는 maxmemory-samples라는 구성이 있습니다. Redis의 LRU는 구성된 키 수를 꺼낸 다음 최근에 가장 적게 사용된 키를 선택하여 교체하는 것입니다. 기본값은 5입니다.

maxmemory-samples 5

조정할 수 있습니다. 샘플 수 LRU 교체 알고리즘의 속도 또는 정확성 이점을 얻으려면.

Redis가 실제 LRU 구현을 사용하지 않는 이유는 메모리 사용량을 절약하기 위해서입니다. 실제 LRU 구현은 아니지만 애플리케이션에서는 거의 동일합니다. 다음 그림은 Redis의 대략적인 LRU 구현과 이론적 LRU 구현을 비교한 것입니다.

测试开始首先在Redis中导入一定数目的key，然后从第一个key依次访问到最后一个key，因此根据LRU算法第一个被访问的key应该最新被置换，之后再增加50%数目的key，导致50%的老的key被替换出去。

在上图中你可以看到三种类型的点，组成三种不同的区域：

1. 淡灰色的是被置换出去的key

2. 灰色的是没有被置换出去的key

3. 绿色的是新增加的key

理论LRU实现就像我们期待的那样，最旧的50%数目的key被置换出去，Redis的LRU将一定比例的旧key置换出去。

可以看到在样本数为5的情况下，Redis3.0要比Redis2.8做的好很多，Redis2.8中有很多应该被置换出去的数据没有置换出去。在样本数为10的情况下，Redis3.0很接近真正的LRU实现。

LRU是一个预测未来我们会访问哪些数据的模型，如果我们访问数据的形式接近我们预想——幂律，那么近似LRU算法实现将能处理的很好。

在模拟测试中我们可以发现，在幂律访问模式下，理论LRU和Redis近似LRU的差距很小或者就不存在差距。

如果你将maxmemory-samples设置为10，那么Redis将会增加额外的CPU开销以保证接近真正的LRU性能，可以通过检查命中率来查看有什么不同。

通过CONFIG SET maxmemory-samples 动态调整样本数大小，做一些测试验证你的猜想。

2、LRU的实现

<?php
/**
 * LRU是最近最少使用页面置换算法(Least Recently Used),也就是首先淘汰最长时间未被使用的页面
 */
class LRU_Cache
{

    private $array_lru = array();
    private $max_size = 0;

    function __construct($size)
    {
        // 缓存最大存储
        $this->max_size = $size;
    }

    public function set_value($key, $value)
    {
        // 如果存在，则向队尾移动，先删除，后追加
        // array_key_exists() 函数检查某个数组中是否存在指定的键名，如果键名存在则返回true，如果键名不存在则返回false。
        if (array_key_exists($key, $this->array_lru)) {
            // unset() 销毁指定的变量。
            unset($this->array_lru[$key]);
        }
        // 长度检查，超长则删除首元素
        if (count($this->array_lru) > $this->max_size) {
            // array_shift() 函数删除数组中第一个元素，并返回被删除元素的值。
            array_shift($this->array_lru);
        }
        // 队尾追加元素
        $this->array_lru[$key] = $value;
    }

    public function get_value($key)
    {
        $ret_value = false;

        if (array_key_exists($key, $this->array_lru)) {
            $ret_value = $this->array_lru[$key];
            // 移动到队尾
            unset($this->array_lru[$key]);
            $this->array_lru[$key] = $ret_value;
        }

        return $ret_value;
    }

    public function vardump_cache()
    {
        echo "<br>";
        var_dump($this->array_lru);
    }
}

$cache = new LRU_Cache(5);                          // 指定了最大空间 6
$cache->set_value("01", "01");
$cache->set_value("02", "02");
$cache->set_value("03", "03");
$cache->set_value("04", "04");
$cache->set_value("05", "05");
$cache->vardump_cache();
echo "<br>";

$cache->set_value("06", "06");
$cache->vardump_cache();
echo "<br>";

$cache->set_value("03", "03");
$cache->vardump_cache();
echo "<br>";

$cache->set_value("07", "07");
$cache->vardump_cache();
echo "<br>";

$cache->set_value("01", "01");
$cache->vardump_cache();
echo "<br>";

$cache->get_value("04");
$cache->vardump_cache();
echo "<br>";

$cache->get_value("05");
$cache->vardump_cache();
echo "<br>";

$cache->get_value("10");
$cache->vardump_cache();
echo "<br>";

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