redis数据库解析

数据库

本篇文章是redis系列中的第二大部分的开始，这一部分为数据库的实现，主要讲单节点的数据库知识。下边附上第一部分基础知识总结篇的链接，有需要的童鞋，欢迎查看。

redis--对象

文章主要内容如下：

目录结构

1、数据库结构

redis服务器将所有数据库都保存在服务器状态redis.h/redisServer结构的db数组中，db数组中每一个项都是一个redis.h/redisDb结构。

redisServer结构如下：

struct redisServer{
    //一个数组，保存着服务器中的所有数据库
    redisDb *db;
    //服务器的数据库数量
    int dbnum;
};

每个redis客户端都有自己的目标数据库，每当客户端执行命令时，目标数据库就会成为这些命令的操作对象。默认情况下为0号数据库，可以通过SELECT命令切换目标数据库。

    typedef struct redisClient{
        //记录客户端当前正在使用的数据库
        redisDb *db;
    }redisClient;

结构图如下：

数据库结构

2、键空间

Redis是一个键值对数据库服务器，服务器中的每个数据库都由一个redis.h/redisDb结构表示，其中redisDb结构的dict字典保存了数据库中的所有键值对，我们称这个字典为键空间。

typedef struct redisDb{
    //数据库键空间，保存着数据库中的所有键值对
    dict *dict;
}redisDb;

键空间和用户所见的数据库是直接对应的：

• [ ] 键空间的键也就是数据库的键，每个键都是一个字符串对象。
• [ ] 键空间的值也就是数据库的值，每个值可以使5种对象中的一种。

这里我们新建一个字符串对象message，列表对象alphabet和哈希集合book，结构如下：

键空间

所有针对数据库的操作，都是通过对键空间字典进行操作实现的。清空整个数据库的FLUSHDB命令，就是通过删除键空间中的所有键值对来实现的。

2.1、读写键空间的附加操作

当redis进行读写操作是，会对键空间执行以下维护操作。

1. 在读取一个键之后，服务器会根据键是否存在更新服务器的键空间命中次数。
2. 在读取一个键后，服务器会更新键的LRU时间。
3. 如果服务器在读取一个键时，发现该键已过期，那么服务器会先删除这个过期键，再执行其他操作。
4. 如果客户端使用了WATCH命令监视了某个键，那么服务器对被监视的键进行修改之后，会将这个键标记为dity，让事务程序注意。
5. 服务器每次修改一个键之后，都会对dity键计数器的值增加1，这个计数器会触发服务器的持久化以及复制操作。
6. 如果开启了数据库通知功能，那么再对键进行修改之后，服务器将按照配置发送响应的数据库通知。

3、生存时间

通过EXPIRE命令或者PEXPIRE命令，客户端可以以秒或者毫秒精度为数据库中的键设置生存时间，经过指定的秒数或者毫秒数之后，服务器会自动删除生存时间为0的键。类似的EXPIREAT命令或者PEXPIREAT命令，设置过期时间；过期时间是UNIX时间戳，当键的过期时间来临时，服务器会自动删除这个键。

TTL命令和PTTL命令接受一个带有生存时间或者过期时间的键，返回这个键剩余生存时间。

EXPIRE命令，PEXPIRE命令和EXPIREAT命令，都是通过转换为PEXPIREAT命令来执行的。

graph TD
A[EXPIRE] -->|转换| B(PEXPIRE)
B -->|转换| D[PEXPIREAT]
E[EXPIREAT]
E -->|转换| D[PEXPIREAT]

3.1、过期字典

redisDb结构的expires字典保存了数据库中所有键的过期时间。

• [ ] 过期字典的键是一个指针，这个指针指向键空间中的某个键对象。
• [ ] 过期字典的值是一个long long类型的整数，这个整数保存了键所指向的数据库的过期时间。

过期字典

4、过期策略

4.1、现有策略

策略	实现	优点	缺点
定时	设置键的同时，设置定时器，到期立即删除	内存友好	cpu不友好
惰性	每次获取时，删除已过期的键值对	内存不友好	cpu友好
定期	每隔一段时间，对数据库检查一次，删除里边的过期键	折中	折中

定期策略的难点是确定删除操作执行的时长和频率，设置不好会退化成定时或者惰性策略。

4.2、redis的策略

redis使用惰性和定期两种策略。通过配合使用，在合理的利用cpu和避免内存浪费之间取得平衡。

5、AOF、RDB和复制

5.1、生成RDB

在执行SAVE命令或者BGSAVE命令创建一个新的RDB文件时，程序会对数据库中的键进行检查，已经过期的键不会被保存到新创建的RDB文件中。

5.2、载入RDB

在启动redis服务器时，如果服务器开启了RDB功能，那么服务器将对RDB文件进行载入：

• [ ] 如果服务器以主服务器模式运行，那么再载入RDB文件时，程序会对文件中保存的键进行检查，未过期的键会被载入到数据库中，而过期的键会被忽略。
• [ ] 如果服务器以从服务器模式运行，那么再载入RDB文件时，文件中保存的所有键，不论是否过期，都会被载入到数据库中。因为主从服务器在数据同步时，从服务器数据库会被清空，所以不会造成影响。

5.3、AOF文件写入

当服务器以AOF模式持久化运行时，如果数据库中的某个键已经过期，但它还没有被删除，那么AOF问价不会因为这个过期键而产生任何影响。当过期键被删除后，程序向AOF文件追加一条DEL命令，来显式的记录该键已被删除。
主要步骤如下：

1. 从数据库中删除键
2. 追加一条DEL
3. 向执行GET命令客户端返回空

5.4、AOF重写

和生成RDB类似，已过期的键不会被保存到重写后的AOF文件。

5.5、复制

当服务器运行在复制模式下时，从服务器的过期键删除动作由主服务器控制。

• [ ] 主服务器在删除一个过期之后，会显式地向所有从服务器发送一个DEL命令，告知从服务器删除这个过期键。
• [ ] 从服务器在执行客户端发送的读命令时，即使碰到过期键也不会将过期键删除，而是继续像处理未过期键一样来处理过期键。
• [ ] 从服务器只有在接到主服务器发来的DEL命令之后，才会删除过期键。

6、数据库通知

在2.8版本之后，客户端可以通过订阅给定的频道或者模式，来获知数据库中键的变化。当redis命令对数据库进行修改后，服务器会根据配置向客户端发送数据库通知。服务器配置的notify-keyspace-events选项决定了服务器所发送通知的类型。