前言
業務中存在訪問熱點是在所難免的，redis也會遇到這個問題，然而如何發現熱點key一直困擾着許多用戶，redis4.0為我們帶來了許多新特性，其中便包括基於LFU的熱點key發現機制。
Least Frequently Used
Least Frequently Used——簡稱LFU，意為最不經常使用，是redis4.0新增的一類內存逐出策略，關於內存逐出可以參考文章《Redis數據過期和淘汰策略詳解》。
從LFU的字面意思我們很容易聯想到key的訪問頻率，但是4.0最初版本僅用來做內存逐出，對於訪問頻率並沒有很好的記錄，那么經過一番改造，redis於4.0.3版本開始正式支持基於LFU的熱點key發現機制。
LFU算法介紹
在redis中每個對象都有24 bits空間來記錄LRU/LFU信息：
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;
當這24 bits用作LFU時，其被分為兩部分：
- 高16位用來記錄訪問時間（單位為分鍾）
- 低8位用來記錄訪問頻率，簡稱counter
counter：基於概率的對數計數器
這里讀者可能會有疑問，8 bits最大值也就是255，只用8位來記錄訪問頻率夠用嗎？對於counter，redis用了一個trick的手段，counter並不是一個簡單的線性計數器，而是用基於概率的對數計數器來實現，算法如下：
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; }
對應的概率分布計算公式為： 1/((counter-LFU_INIT_VAL)*server.lfu_log_factor+1)
其中LFU_INIT_VAL為5，我們看下概率分布圖會有一個更直觀的認識，以默認server.lfu_log_factor=10為例：
從上圖可以看到，counter越大，其增加的概率越小，8 bits也足夠記錄很高的訪問頻率，下表是不同概率因子server.lfu_log_factor與訪問頻率counter的對應關系：
也就是說，默認server.lfu_log_factor為10的情況下，8 bits的counter可以表示1百萬的訪問頻率。
counter的衰減因子
從上一小節的counter增長函數LFULogIncr中我們可以看到，隨着key的訪問量增長，counter最終都會收斂為255，這就帶來一個問題，如果counter只增長不衰減就無法區分熱點key。
為了解決這個問題，redis提供了衰減因子server.lfu_decay_time，其單位為分鍾，計算方法也很簡單，如果一個key長時間沒有訪問那么它的計數器counter就要減少，減少的值由衰減因子來控制：
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; }
默認為1的情況下也就是N分鍾內沒有訪問，counter就要減N。
概率因子和衰減因子均可配置，推薦使用redis的默認值即可：
lfu-log-factor 10 lfu-decay-time 1
熱點key發現
介紹完LFU算法，接下來就是我們關心的熱點key發現機制。
其核心就是在每次對key進行讀寫訪問時，更新LFU的24 bits域代表的訪問時間和counter，這樣每個key就可以獲得正確的LFU值：
void updateLFU(robj *val) { unsigned long counter = LFUDecrAndReturn(val); counter = LFULogIncr(counter); val->lru = (LFUGetTimeInMinutes()<<8) | counter; }
那么用戶如何獲取訪問頻率呢？redis提供了OBJECT FREQ子命令來獲取LFU信息，但是要注意需要先把內存逐出策略設置為allkeys-lfu或者volatile-lfu，否則會返回錯誤：
127.0.0.1:6379> config get maxmemory-policy 1) "maxmemory-policy" 2) "noeviction" 127.0.0.1:6379> object freq counter:000000006889 (error) ERR An LFU maxmemory policy is not selected, access frequency not tracked. Please note that when switching between policies at runtime LRU and LFU data will take some time to adjust. 127.0.0.1:6379> config set maxmemory-policy allkeys-lfu OK 127.0.0.1:6379> object freq counter:000000006889 (integer) 3
使用scan命令遍歷所有key，再通過OBJECT FREQ獲取訪問頻率並排序，即可得到熱點key。為了方便用戶使用，redis 4.0.3同時也提供了redis-cli的熱點key發現功能，執行redis-cli時加上--hotkeys選項即可，示例如下：
$./redis-cli --hotkeys # Scanning the entire keyspace to find hot keys as well as # average sizes per key type. You can use -i 0.1 to sleep 0.1 sec # per 100 SCAN commands (not usually needed). [00.00%] Hot key 'counter:000000000002' found so far with counter 87 [00.00%] Hot key 'key:000000000001' found so far with counter 254 [00.00%] Hot key 'mylist' found so far with counter 107 [00.00%] Hot key 'key:000000000000' found so far with counter 254 [45.45%] Hot key 'counter:000000000001' found so far with counter 87 [45.45%] Hot key 'key:000000000002' found so far with counter 254 [45.45%] Hot key 'myset' found so far with counter 64 [45.45%] Hot key 'counter:000000000000' found so far with counter 93 -------- summary ------- Sampled 22 keys in the keyspace! hot key found with counter: 254 keyname: key:000000000001 hot key found with counter: 254 keyname: key:000000000000 hot key found with counter: 254 keyname: key:000000000002 hot key found with counter: 107 keyname: mylist hot key found with counter: 93 keyname: counter:000000000000 hot key found with counter: 87 keyname: counter:000000000002 hot key found with counter: 87 keyname: counter:000000000001 hot key found with counter: 64 keyname: myset
可以看到，排在前幾位的即是熱點key。