前言

參考資料：《Redis設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 第二版》；

第二部分為單機(jī)數(shù)據(jù)庫的實(shí)現(xiàn)，主要由以下模塊組成：數(shù)據(jù)庫、持久化、事件、客戶端與服務(wù)器；

本篇將介紹 Redis 中的數(shù)據(jù)庫；

與本章相關(guān)的 Redis 命令總結(jié)在下篇文章，歡迎點(diǎn)擊收藏，本篇將不再重復(fù)：

《Redis常用命令及示例總結(jié)（API）》：http://www.itdecent.cn/p/f8eb9afaa908

1. Redis中的數(shù)據(jù)庫

• Redis服務(wù)器的所有數(shù)據(jù)庫保存在redis.h/redisService結(jié)構(gòu)的db數(shù)組中：

  struct redisService{
      //...
      //保存所有數(shù)據(jù)庫的數(shù)組
      redisDB *db;
    
      //服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫數(shù)量
      int dbnum;
      //...
  }
  

  • dbnum屬性由服務(wù)器配置的 database 選項(xiàng)決定，默認(rèn)為 16；

• Redis客戶端數(shù)據(jù)庫保存在在redisClient結(jié)構(gòu)的db屬性：

  typedef struct redisClient{
      //...
      //記錄客戶端當(dāng)前正在使用的數(shù)據(jù)庫
      redisDB *db;
  } redisClient;
  

  • 客戶端通過修改目標(biāo)數(shù)據(jù)庫指針，讓它指向 redisService.db 數(shù)組中的不同元素；
  • 可以通過 SELECT index 命令來切換數(shù)據(jù)庫；
    
    客戶端的目標(biāo)數(shù)據(jù)庫.png

• 數(shù)據(jù)庫的定義在redis.h/redisDb結(jié)構(gòu)中：

  typedef struct redisDb{
      //...
      //數(shù)據(jù)庫鍵空間，保存數(shù)據(jù)庫中所有的鍵值對
      dict *dict;
      
      //過期字典，保存著鍵的過期時(shí)間
      dict *expires;
  } redisDb;
  

  • 鍵空間的鍵是數(shù)據(jù)庫的鍵，每個(gè)鍵是一個(gè)字符串對象；
  • 鍵空間的值是數(shù)據(jù)庫的值，每個(gè)值可以是字符串對象、列表對象、哈希表對象、集合對象和有序集合對象中的一種；

帶過期字典的數(shù)據(jù)庫.png

2. 數(shù)據(jù)庫的鍵空間

• 數(shù)據(jù)庫鍵空間是一個(gè)字典，所有針對數(shù)據(jù)庫的操作都是通過鍵空間字典來操作的；
• 在對鍵空間進(jìn)行讀寫操作時(shí)，Redis 還會進(jìn)行一些維護(hù)操作：
  • 讀取鍵后，會根據(jù)鍵是否存在更新服務(wù)器的鍵空間命中 keyspace_hits 次數(shù)或鍵空間不命中 keyspace_misses 次數(shù)。通過 INFO stats 命令查看屬性；
  • 讀取鍵后，服務(wù)器會更新鍵的 LRU（最后一次使用時(shí)間）。通過 ONBJECT idlettime [key] 命令查看key的閑置時(shí)間；
  • 服務(wù)器在讀取鍵時(shí)發(fā)現(xiàn)鍵已經(jīng)過期，會先刪除這個(gè)過期鍵；
  • 如果有客戶端使用 WATCH 命令監(jiān)視某個(gè)鍵，服務(wù)器對該鍵修改后會標(biāo)記上臟 dirty，讓事務(wù)處理程序注意；
  • 服務(wù)器每修改一個(gè)鍵后，會對臟 dirty 鍵計(jì)數(shù)器值增 1，計(jì)數(shù)器會觸發(fā)服務(wù)器的持久化以及復(fù)制操作；

3. 鍵的生成時(shí)間與過期時(shí)間

• 鍵的時(shí)間相關(guān)設(shè)置命令參看《Redis常用命令及示例總結(jié)》1.3 生存時(shí)間的功能；
• 生存時(shí)間：
  • 客戶端可以通過 EXPIRE 或 PEXPIRE 命令以秒或毫秒精度為數(shù)據(jù)庫中某個(gè)鍵設(shè)置生存時(shí)間（Time To Live，TTL）。經(jīng)過指定時(shí)間后，服務(wù)器自動(dòng)刪除生存時(shí)間為0的鍵；
  • 可以通過 SETEX 命令在設(shè)置字符串鍵同時(shí)設(shè)置過期時(shí)間；
  • 使用 TTL 或 PTTL 命令獲取鍵的剩余生存時(shí)間；
• 過期時(shí)間：
  • 客戶端設(shè)置過期時(shí)間的命令是 EXPIREAT 或 PEXPIREAT；
  • 過期時(shí)間是一個(gè) UNIX 時(shí)間戳；
• EXPIRE、PEXPIRE 和 EXPIREAT 三個(gè)命令都會轉(zhuǎn)換成 PEXPIREAT 命令實(shí)現(xiàn)；

4. Redis中的過期鍵刪除策略

• 有三種刪除過期鍵的策略：

  • 定時(shí)刪除：主動(dòng)策略。對內(nèi)存最友好，到期就釋放內(nèi)存。缺點(diǎn)是對CPU事件不友好，當(dāng)過期鍵比較多時(shí)，會占用一部分CPU時(shí)間；
  • 惰性刪除：被動(dòng)策略。對CPU時(shí)間最友好。每次從鍵空間獲取鍵時(shí)，檢查取得的鍵是否過期，過期則刪除。缺點(diǎn)是對內(nèi)存不友好；
  • 定期刪除：主動(dòng)策略。前兩種策略的整合與折中。每隔一段時(shí)間執(zhí)行一次刪除過期鍵操作，并通過限制刪除操作執(zhí)行的時(shí)長與頻率減少刪除操作對CPU時(shí)間的影響。缺點(diǎn)是難以確定刪除操作執(zhí)行的時(shí)長和頻率；

• 惰性刪除策略由 db.c/expireIfNeeded 函數(shù)實(shí)現(xiàn)，流程如下：

惰性刪除策略的執(zhí)行流程.png

• 定期刪除策略由 redis.c/activeExpireCycle 函數(shù)實(shí)現(xiàn)，每當(dāng)Redis的服務(wù)器周期性操作 redis.c/serverCron 函數(shù)執(zhí)行時(shí)，activeExpireCycle 函數(shù)會被調(diào)用。在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，分多次遍歷服務(wù)器各個(gè)數(shù)據(jù)庫，從數(shù)據(jù)庫的 expires 字典中隨機(jī)檢查一部分過期時(shí)間，刪除其中過期鍵；

5. AOF、RDB和復(fù)制功能對過期鍵的處理

5.1 生成 RDB 文件

• 在執(zhí)行 SAVE 或 BGSAVE 命令創(chuàng)建一個(gè)新的 RBG 文件時(shí)，程序會對數(shù)據(jù)庫中的鍵進(jìn)行檢查，已過期的鍵不會被保存到新創(chuàng)建的 RDB 文件中；

5.2 載入 RDB 文件

• 載入 RDB 文件時(shí)：
  • 若服務(wù)器以主服務(wù)器模式運(yùn)行，過期鍵不載入；
  • 若服務(wù)器以從服務(wù)器模式運(yùn)行，所有鍵都會載入；

5.3 AOF 文件寫入

• 當(dāng)服務(wù)器以 AOF 持久化模式運(yùn)行時(shí)，未被惰性刪除和定期刪除的過期鍵不會對 AOF 文件產(chǎn)生影響；
• 當(dāng)過期鍵被惰性刪除或定期刪除后，程序會向 AOF 文件追加（append）一條 DEL 命令，顯示記錄該鍵已被刪除；

5.4 AOF 重寫

• 與 RDB 文件類似，在執(zhí)行 AOF 重寫過程中，程序會對數(shù)據(jù)庫中的鍵進(jìn)行檢查，已過期的鍵不會被保存到重寫后的 AOF 文件中；

5.5 復(fù)制

• 當(dāng)服務(wù)器運(yùn)行在復(fù)制模式下時(shí)，從服務(wù)器的過期鍵刪除動(dòng)作由主服務(wù)器控制；

  
  
  客戶端訪問從服務(wù)器.png

客戶端訪問主服務(wù)器.png.png

6. 數(shù)據(jù)庫通知

• 數(shù)據(jù)庫通知是 Redis 2.8 版本新增的功能；
• 數(shù)據(jù)庫通知可以讓客戶端通過訂閱給定的頻道或模式，來獲知數(shù)據(jù)庫中鍵的變化，以及數(shù)據(jù)庫中命令的執(zhí)行情況；
• Redis 命令對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行修改后，服務(wù)器會根據(jù)配置向客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)庫通知；
• 通知的相關(guān)命令可以參考 《Redis常用命令及示例總結(jié)》7. Pub/Sub（發(fā)布/訂閱）；
• 兩類通知類型：
  • 鍵空間通知 key-space notification：關(guān)注 “某個(gè)鍵執(zhí)行了什么命令”；SUBSCRIBE channel:message；
  • 鍵事件通知 key-event notification：關(guān)注 “某個(gè)命令被什么鍵執(zhí)行了”；SUBSCRIBE channel:del；
• 服務(wù)器配置的 notify-keyspace-events 選項(xiàng)決定服務(wù)器所發(fā)送通知的類型：
  • AKE：發(fā)送所有類型的鍵空間和鍵事件通知；
  • AK：發(fā)送所有類型的鍵空間通知；
  • AE：發(fā)送所有類型的鍵事件通知；
  • K$：只發(fā)送字符串有關(guān)的鍵空間通知；
  • EL：只發(fā)送列表鍵有關(guān)的鍵事件通知；
• 發(fā)送數(shù)據(jù)庫通知的功能是由 notify.c/notifyKeyspaceEvent 函數(shù)實(shí)現(xiàn)；

最后