Redis | 第4章 Redis中的数据库《Redis设计与实现》

前言

参考资料：《Redis设计与实现 第二版》；

第二部分为单机数据库的实现，主要由以下模块组成：数据库、持久化、事件、客户端与服务器；

本篇将介绍 Redis 中的数据库；

与本章相关的 Redis 命令总结在下篇文章，欢迎点击收藏，本篇将不再重复：

《Redis常用命令及示例总结（API）》：https://www.jianshu.com/p/f8eb9afaa908

---

1. Redis中的数据库

• Redis服务器的所有数据库保存在redis.h/redisService结构的db数组中：

  struct redisService{
      //...
      //保存所有数据库的数组
      redisDB *db;
    
      //服务器的数据库数量
      int dbnum;
      //...
  }
  

  • dbnum属性由服务器配置的 database 选项决定，默认为 16；

• Redis客户端数据库保存在在redisClient结构的db属性：

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

  • 客户端通过修改目标数据库指针，让它指向 redisService.db 数组中的不同元素；
  • 可以通过 SELECT index 命令来切换数据库；
    
    客户端的目标数据库.png

• 数据库的定义在redis.h/redisDb结构中：

  typedef struct redisDb{
      //...
      //数据库键空间，保存数据库中所有的键值对
      dict *dict;
      
      //过期字典，保存着键的过期时间
      dict *expires;
  } redisDb;
  

  • 键空间的键是数据库的键，每个键是一个字符串对象；
  • 键空间的值是数据库的值，每个值可以是字符串对象、列表对象、哈希表对象、集合对象和有序集合对象中的一种；

带过期字典的数据库.png

2. 数据库的键空间

• 数据库键空间是一个字典，所有针对数据库的操作都是通过键空间字典来操作的；
• 在对键空间进行读写操作时，Redis 还会进行一些维护操作：
  • 读取键后，会根据键是否存在更新服务器的键空间命中 keyspace_hits 次数或键空间不命中 keyspace_misses 次数。通过 INFO stats 命令查看属性；
  • 读取键后，服务器会更新键的 LRU（最后一次使用时间）。通过 ONBJECT idlettime [key] 命令查看key的闲置时间；
  • 服务器在读取键时发现键已经过期，会先删除这个过期键；
  • 如果有客户端使用 WATCH 命令监视某个键，服务器对该键修改后会标记上脏 dirty，让事务处理程序注意；
  • 服务器每修改一个键后，会对脏 dirty 键计数器值增 1，计数器会触发服务器的持久化以及复制操作；

3. 键的生成时间与过期时间

• 键的时间相关设置命令参看《Redis常用命令及示例总结》1.3 生存时间的功能；
• 生存时间：
  • 客户端可以通过 EXPIRE 或 PEXPIRE 命令以秒或毫秒精度为数据库中某个键设置生存时间（Time To Live，TTL）。经过指定时间后，服务器自动删除生存时间为0的键；
  • 可以通过 SETEX 命令在设置字符串键同时设置过期时间；
  • 使用 TTL 或 PTTL 命令获取键的剩余生存时间；
• 过期时间：
  • 客户端设置过期时间的命令是 EXPIREAT 或 PEXPIREAT；
  • 过期时间是一个 UNIX 时间戳；
• EXPIRE、PEXPIRE 和 EXPIREAT 三个命令都会转换成 PEXPIREAT 命令实现；

4. Redis中的过期键删除策略

• 有三种删除过期键的策略：

  • 定时删除：主动策略。对内存最友好，到期就释放内存。缺点是对CPU事件不友好，当过期键比较多时，会占用一部分CPU时间；
  • 惰性删除：被动策略。对CPU时间最友好。每次从键空间获取键时，检查取得的键是否过期，过期则删除。缺点是对内存不友好；
  • 定期删除：主动策略。前两种策略的整合与折中。每隔一段时间执行一次删除过期键操作，并通过限制删除操作执行的时长与频率减少删除操作对CPU时间的影响。缺点是难以确定删除操作执行的时长和频率；

• 惰性删除策略由 db.c/expireIfNeeded 函数实现，流程如下：

惰性删除策略的执行流程.png

• 定期删除策略由 redis.c/activeExpireCycle 函数实现，每当Redis的服务器周期性操作 redis.c/serverCron 函数执行时，activeExpireCycle 函数会被调用。在规定的时间内，分多次遍历服务器各个数据库，从数据库的 expires 字典中随机检查一部分过期时间，删除其中过期键；

5. AOF、RDB和复制功能对过期键的处理

5.1 生成 RDB 文件

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

5.2 载入 RDB 文件

• 载入 RDB 文件时：
  • 若服务器以主服务器模式运行，过期键不载入；
  • 若服务器以从服务器模式运行，所有键都会载入；

5.3 AOF 文件写入

• 当服务器以 AOF 持久化模式运行时，未被惰性删除和定期删除的过期键不会对 AOF 文件产生影响；
• 当过期键被惰性删除或定期删除后，程序会向 AOF 文件追加（append）一条 DEL 命令，显示记录该键已被删除；

5.4 AOF 重写

• 与 RDB 文件类似，在执行 AOF 重写过程中，程序会对数据库中的键进行检查，已过期的键不会被保存到重写后的 AOF 文件中；

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；

  
  
  客户端访问从服务器.png

客户端访问主服务器.png.png

6. 数据库通知

• 数据库通知是 Redis 2.8 版本新增的功能；
• 数据库通知可以让客户端通过订阅给定的频道或模式，来获知数据库中键的变化，以及数据库中命令的执行情况；
• 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；
• 通知的相关命令可以参考 《Redis常用命令及示例总结》7. Pub/Sub（发布/订阅）；
• 两类通知类型：
  • 键空间通知 key-space notification：关注 “某个键执行了什么命令”；SUBSCRIBE channel:message；
  • 键事件通知 key-event notification：关注 “某个命令被什么键执行了”；SUBSCRIBE channel:del；
• 服务器配置的 notify-keyspace-events 选项决定服务器所发送通知的类型：
  • AKE：发送所有类型的键空间和键事件通知；
  • AK：发送所有类型的键空间通知；
  • AE：发送所有类型的键事件通知；
  • K$：只发送字符串有关的键空间通知；
  • EL：只发送列表键有关的键事件通知；
• 发送数据库通知的功能是由 notify.c/notifyKeyspaceEvent 函数实现；

---

最后