面试题：自定义Redis过期键删除策略的设计与实现

Question

假设现有的Redis过期键删除策略无法满足特定业务场景需求，要求你设计并实现一种自定义的过期键删除策略。请详细描述你的设计思路，包括涉及到的数据结构、算法，以及如何将自定义策略集成到Redis中，并说明该自定义策略在性能、资源利用等方面相较于原生策略的优势。

Answer 1

设计思路

1. 数据结构：
   • 为每个键值对增加一个额外的过期时间字段。可以在Redis现有的数据结构基础上进行扩展，例如在存储键值对的字典结构（如哈希表）中，每个键值对的记录除了包含值，还包含一个过期时间戳字段。
   • 使用一个优先队列（最小堆）来存储所有设置了过期时间的键。优先队列按照过期时间从小到大排序，这样可以快速获取即将过期的键。
2. 算法：
   • 插入操作：当设置一个键的过期时间时，将键和其过期时间插入到优先队列中，并在键值对存储结构中记录该过期时间。
   • 删除操作：
     • 定期检查优先队列的队头元素。如果队头元素的过期时间小于当前时间，说明该键已过期，从键值对存储结构中删除该键值对，并将队头元素从优先队列中移除。
     • 每次访问键值对时，检查该键的过期时间。如果已过期，从键值对存储结构和优先队列中删除该键。
3. 集成到Redis：
   • 在Redis的键值对存储模块中，修改数据结构以支持存储过期时间字段。
   • 在Redis的事件循环中，定期调用删除过期键的函数。这个函数从优先队列中获取过期键并删除。
   • 修改Redis的命令处理逻辑，例如在SET命令中，除了设置键值对，还要设置过期时间并插入到优先队列。

优势

1. 性能：
   • 相比于原生的惰性删除（访问时检查过期）和定期删除（随机抽查过期键）策略，这种自定义策略通过优先队列可以更快速地定位过期键，减少了每次访问键时不必要的过期检查开销。在高并发读操作场景下，性能提升明显。
   • 定期删除策略是随机抽查，可能会遗漏一些过期键，而自定义策略通过优先队列保证了对所有过期键的有序处理，减少了过期键长时间占用内存的情况，提升了整体性能。
2. 资源利用：
   • 由于能够及时删除过期键，减少了过期键占用的内存空间，提高了内存利用率。在内存紧张的环境中，这种策略可以避免因过期键占用过多内存而导致的内存不足问题。
   • 原生策略可能在内存使用上存在一定的波动，而自定义策略通过有序处理过期键，使得内存使用更加稳定和可预测。