Redis之数据库实现

本文主要介绍Redis服务器数据库的设计与实现，说明保存数据库的方法，保存键值对的方法，以及针对数据库添加、删除、查找、更新操作的实现方法，并且还会说明对过期键的处理方式。

I、服务器中的数据库

Redis服务器将所有的数据库都保持在redisServer结构的db数组中，每个db数组都是一个redisDb结构，每个redisDb都表示一个数据库：

II、切换数据库

客户端可以通过SELECT命令来切换目标数据库。

在服务器内部，客户端状态redisClient结构的db属性记录了客户端当前的目标数据库，这个属性是一个指向redisDb的指针：

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

通过修改redisClient.db指针,让它指向服务器中的不同数据库，从而实现切换数据库的功能，这就是SELECT命令的实现原理。

III、数据库键空间

redisDb结构中的dict字典保存了数据库中的所有键值对，我们将这个字典称为键空间：

typedef struct redisDb {
    //数据库键空间，保存所有键值对
    dict *dict;
} redisDb;

数据库的键空间是一个字典，所有对数据库的操作，都是以字典操作来实现的，如数据库的添加、删除、更新、取值等。

IV、设置键的生存时间或过期时间

4.1 设置过期键命令

通过EXPIRE命令或PEXPIRE命令，客户端可以以秒或毫秒为单位为数据库中的某个键设置生存时间（TTL，Time To Live）。

客户端还可以通过EXPIREAT命令或PEXPIREAT命令，以秒或毫秒为单位设置过期时间，这个过期时间是一个UNIX时间戳。

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

4.2 保存过期时间

redisDb结构的expires字典保存了数据库中所有键的过期时间，称这个字典为过期字典：

typedef struct redisDb {
    //过期字典，保存着键的过期时间
    dict *expires;
} redisDb;

下图展示了这个结构：

4.3 移除过期时间

PERSIST命令可以移除一个键的过期时间，其是PEXPIREAT命令的反操作。

V、过期键删除策略

5.1 三种基本删除策略

1、定时删除：在设置键的过期时间的同时，创建一个定时器，让定时器在键过期时间到达时，执行对键的删除操作。

定时删除策略对内存是最友好的，因为其可以保证过期键尽可能快的被删除，并释放过期键所占内存。

但其对CPU时间是不友好的，在过期键比较多的情况下，删除过期键这一行为可能会占用相当一部分CPU时间。如果有当量的命令请求等待服务器处理，那么服务器应该优先将CPU时间处理客户端请求，而不是在删除过期键上面。

2、惰性删除：放任过期键不管，但是每次从键空间中获取键时，都检查取得的键是否过期，如果过期则删除，如果不过期，则返回该键。

与上面的分析类似，惰性删除策略对CPU时间来说是最友好的，但对内存是不友好的。

3、定期删除：每隔一段时间，程序就对数据库进行一次检查，删除里面的过期键。至于要删除多少过期键，以及要检查多少个数据库，都是由算法决定的。

定期删除策略是前面两种删除策略的整合和折中：
每隔一段时间执行一次删除操作，并限制删除操作的时长和频率，以减少删除操作对CPU时间的影响。
通过定期删除有效减少了因为过期键而带来的内存浪费。

5.2 Redis的过期键删除策略

Redis服务器采用惰性删除和定期删除两种策略，通过配合使用这两种删除策略，可以很好的在合理使用CPU时间和避免内存浪费之间取得平衡。

VI、AOF，RDB和复制功能对过期键的处理

RDB持久化、AOF持久化以及复制功能是如何处理数据库中的过期键的？

6.1 生成RDB文件

在执行SAVE命令或BGSAVE命令创建一个RDB文件时，程序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。
所以，数据库中包含过期键不会对生成新的RDB文件造成影响。

6.2 载入RDB文件

如果服务器开启了RDB功能，则服务器将对RDB文件进行载入：
· 如果服务器以主服务器模式运行，那么在载入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，而过期键会被忽略。
所以过期键对载入RDB文件的主服务器不会造成影响。

· 如果服务器以从服务器模式运行，那么在载入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，但是因为主从服务器在进行数据同步的时候，从服务器就会重新更新为与主服务器一致，而这时也会删除过期键。
因此，过期键对载入RDB文件的从服务器也不会造成影响。

6.3 AOF文件写入

当服务器以AOF持久化模式运行时，如果数据库中的某个键已经过期，还没有被惰性删除或定期删除，则AOF文件不会因为这个过期键而产生任何影响，这是因为当过期键被惰性删除或定期删除之后，程序会向AOF文件追加一条DEL命令。

6.4 AOF重写

在执行AOF重写的过程中，程序会对数据库中的键进行检查，已过期的键不会被重写到AOF文件中。

6.5 复制

当服务器运行在复制模式下，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键之后，会显式的向所有从服务器发送一个DEL命令；
· 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，而是正常返回；
· 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；

通过由主服务器来控制从服务器统一的删除过期键，可以保证主从服务器数据的一致性。

例如，有下图的主从服务器结构：

当客户端向从服务器发送GET message时，从服务器正常返回过期键：

当有客户端向主服务器发送GET message时，主服务器发现message过期，会删除message键，向客户端返回nil，并向从服务器发送DEL message：

最后的主从服务器结构为：

【参考】
[1] 《Redis设计与实现》

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