1.服務(wù)器和客戶端實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)庫

 Redis服務(wù)器在啟動(dòng)時(shí)，會(huì)根據(jù)redis.conf文件的中databases xx這個(gè)配置決定創(chuàng)建多少個(gè)數(shù)據(jù)庫（默認(rèn)配置是16），啟動(dòng)后默認(rèn)使用的0號(hào)數(shù)據(jù)庫，當(dāng)然可以使用select dbnum這個(gè)命令來切換。需要注意的是在redis集群模式下，只有0號(hào)數(shù)據(jù)庫可以用，是無法切換到其他庫的。

 Redis服務(wù)器會(huì)將所有的數(shù)據(jù)庫都保存在服務(wù)器狀態(tài)的redisServer的db數(shù)組中，數(shù)組的每一項(xiàng)都代表了一個(gè)數(shù)據(jù)庫，用redisDb結(jié)構(gòu)來表示，首先看一下redisServer.db的源碼：

struct redisServer {
	...
	// 代表數(shù)據(jù)庫的數(shù)組
    redisDb *db;
    // 這個(gè)記錄的配置文件中數(shù)據(jù)庫的數(shù)量
	int dbnum;  
    ...
}

 我們通過客戶端向Redis寫入的任何數(shù)據(jù)都會(huì)記錄到這個(gè)db數(shù)組中，根據(jù)前面描述，我們知道可以通過select命令切換到另一個(gè)目標(biāo)數(shù)據(jù)庫，但是客戶端是怎么記錄的它當(dāng)前操作的哪個(gè)數(shù)據(jù)庫呢？我們繼續(xù)看一下源碼：

typedef struct client {
    ...
    // 指針指向當(dāng)前客戶端正在操作的數(shù)據(jù)庫
    redisDb *db;            /* Pointer to currently SELECTed DB. */
	...
} client;

 看，在client客戶端狀態(tài)中，有一個(gè)db指針，指向了server.db數(shù)組中的某一項(xiàng)，代表了當(dāng)前客戶端正在操作的數(shù)據(jù)庫。所以通過切換client.db的指針，調(diào)整客戶端操作的數(shù)據(jù)庫，這就是select命令的實(shí)現(xiàn)原理。

2.數(shù)據(jù)庫字典的實(shí)現(xiàn)

 Redis是支持key-value鍵值對(duì)存儲(chǔ)的，這其實(shí)是通過dict結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的，在前面講到的內(nèi)容中，服務(wù)器和客戶端都指向了一個(gè)redisDb的結(jié)構(gòu)，在這個(gè)db結(jié)構(gòu)中，就包含存儲(chǔ)了鍵值對(duì)的字典結(jié)構(gòu)，首先看一下源碼：

typedef struct redisDb {
	...
	// 這個(gè)存放的就是鍵值對(duì)
    dict *dict;                 /* The keyspace for this DB */
    // 這個(gè)存放的是鍵值對(duì)的過期時(shí)間，下面一節(jié)會(huì)說到
    dict *expires;              /* Timeout of keys with a timeout set */
    ...
} redisDb;

 dict這個(gè)指針就指向了存儲(chǔ)鍵值對(duì)的字典結(jié)構(gòu)，key是字符串robj類型，value可以是任何的robj類型。當(dāng)我們分別新增、刪除、更新或者查詢的時(shí)候，其實(shí)就是根據(jù)輸入的key在這個(gè)字典上做curd的操作。我們?cè)赗edis寫入兩個(gè)鍵值對(duì)，圖示如下：

 除了對(duì)數(shù)據(jù)庫鍵值對(duì)的curd操作，基于整個(gè)數(shù)據(jù)操作的一些命令也是在這個(gè)dict上面實(shí)現(xiàn)的，比如清空所有鍵值對(duì)的flushdb，或者exists、del、dbsize命令等等。在執(zhí)行命令前后，redis還會(huì)執(zhí)行一些其他操作，比如檢查是否超出最大內(nèi)存，更新lru時(shí)間，記錄慢查詢?nèi)罩?，或者向monitor客戶端發(fā)送命令等等，這就是redis數(shù)據(jù)字典的實(shí)現(xiàn)原理。

3.鍵值對(duì)的生命周期管理

 這里說的生命周期，其實(shí)就是指鍵值對(duì)的過期時(shí)間。通常我們使用expire key這個(gè)命令設(shè)置鍵的過期時(shí)間，但其實(shí)Redis是有四個(gè)命令支持設(shè)置過期時(shí)間的：

• expire key seconds 將key的生命周期設(shè)置為second秒；
• pexpire key milliseconds 將key的生命周期設(shè)置為milliseconds毫秒；
• expireat key timestamp 將key的過期時(shí)間設(shè)置在timestamp這個(gè)秒的時(shí)間戳過期；
• pexpireat key timestamp 將key的過期時(shí)間設(shè)置在timestamp這個(gè)毫秒的時(shí)間戳過期；

 值得說明的是，雖然有這么多命令支持設(shè)置過期時(shí)間，但是最終經(jīng)過轉(zhuǎn)換都是指向pexpireat這一個(gè)命令來實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在的問題是，這么多鍵值對(duì)的過期時(shí)間，在redis服務(wù)端是怎么保存和維護(hù)的呢？

 前面在看redisDb源碼的時(shí)候，有一個(gè)expires屬性，我們?cè)侔言创a拿過來看一下：

typedef struct redisDb {
	...
    // 這個(gè)存放的是鍵的過期時(shí)間
    dict *expires;              /* Timeout of keys with a timeout set */
    ...
} redisDb;

 這就很清晰了，通過expires這個(gè)指針，指向了一個(gè)dict結(jié)構(gòu)，字典中記錄的就是所有鍵值對(duì)的過期時(shí)間。其中，key是鍵值對(duì)的鍵，value是long類型的毫秒精度的unix時(shí)間戳，即過期的時(shí)間點(diǎn)。值得注意的是，保存鍵值對(duì)的dict字典和保存過期時(shí)間的expires字典，key指針都指向相同的一個(gè)鍵字符串對(duì)象，所以在內(nèi)存空間上是不會(huì)存在浪費(fèi)的。

 除此之外，跟過期時(shí)間操作相關(guān)的兩個(gè)命令，當(dāng)然也是基于expires這個(gè)字典來實(shí)現(xiàn)的：

• ttl 返回鍵值對(duì)的剩余時(shí)間
• persist刪除鍵值對(duì)的過期時(shí)間

4.過期鍵的管理策略

 既然有過期時(shí)間，那么鍵值對(duì)過期之后，是不是立即被刪除了呢？答案肯定不是，redis通過惰性刪除和定期刪除兩種策略實(shí)現(xiàn)對(duì)過期鍵的管理：

• 惰性刪除策略：當(dāng)程序訪問到某個(gè)鍵值對(duì)的時(shí)候，會(huì)對(duì)過期時(shí)間檢查，如果過期就刪除，否則不處理。
• 定期刪除策略：基于serverCron時(shí)間事件函數(shù)，從一定數(shù)量的數(shù)據(jù)庫中取出一定數(shù)量的隨機(jī)鍵進(jìn)行檢查，并刪除其中過期的鍵值對(duì)。

 使用這兩種過期鍵管理策略可以最大程度上在合理使用CPU時(shí)間和避免浪費(fèi)內(nèi)存空間之間取得平衡。

5.持久化對(duì)過期鍵的處理

rdb 持久化

• save或者bgsave會(huì)檢查鍵的過期時(shí)間，已過期的鍵不會(huì)保存到的持久化的rdb文件中。
• 服務(wù)器啟動(dòng)載入rdb文件時(shí)，如果是主服務(wù)器，過期鍵會(huì)被忽略加載；如果是從服務(wù)器，不論是否過期，都會(huì)被加載。

aof 持久化

• 寫入aof文件時(shí)，key是會(huì)寫入的，過期之后，通過追加del命令，才會(huì)顯示的刪除此過期鍵。
• bgrewriteaof 重寫時(shí)會(huì)檢查鍵的過期時(shí)間，已過期的鍵不會(huì)寫入新的aof文件中。
• 服務(wù)器啟動(dòng)載入aof文件時(shí)，過期鍵也會(huì)被忽略，不會(huì)被加載。

6.主從復(fù)制對(duì)過期鍵的處理

 主從復(fù)制，為了保證數(shù)據(jù)的一致性，通常由主服務(wù)器執(zhí)行更新的操作，然后將命令發(fā)送給從服務(wù)器。在3.2版本之前，由于惰性刪除策略的存在，主服務(wù)器遇到對(duì)過期鍵的訪問，會(huì)刪除此鍵值對(duì)，并給客戶端返回null值，但是從服務(wù)器由于不能執(zhí)行刪除操作，即便是此鍵已過期，也會(huì)返回對(duì)應(yīng)的value值，出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致導(dǎo)致的臟讀問題。

 在3.2版本之后，這個(gè)問題得到了修改，從服務(wù)器會(huì)判斷當(dāng)前鍵是否過期，如果已過期并且是從服務(wù)器的話，也會(huì)返回null值。

到此這篇關(guān)于Redis數(shù)據(jù)庫原理深入刨析的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Redis數(shù)據(jù)庫內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！