Redis数据库原理深入刨析

1.服务器和客户端实现的数据库

 Redis服务器在启动时，会根据redis.conf文件的中databases xx这个配置决定创建多少个数据库（默认配置是16），启动后默认使用的0号数据库，当然可以使用select dbnum这个命令来切换。需要注意的是在redis集群模式下，只有0号数据库可以用，是无法切换到其他库的。

 Redis服务器会将所有的数据库都保存在服务器状态的redisServer的db数组中，数组的每一项都代表了一个数据库，用redisDb结构来表示，首先看一下redisServer.db的源码：

struct redisServer {
	...
	// 代表数据库的数组
    redisDb *db;
    // 这个记录的配置文件中数据库的数量
	int dbnum;  
    ...
}

 我们通过客户端向Redis写入的任何数据都会记录到这个db数组中，根据前面描述，我们知道可以通过select命令切换到另一个目标数据库，但是客户端是怎么记录的它当前操作的哪个数据库呢？我们继续看一下源码：

typedef struct client {
    ...
    // 指针指向当前客户端正在操作的数据库
    redisDb *db;            /* Pointer to currently SELECTed DB. */
	...
} client;

 看，在client客户端状态中，有一个db指针，指向了server.db数组中的某一项，代表了当前客户端正在操作的数据库。所以通过切换client.db的指针，调整客户端操作的数据库，这就是select命令的实现原理。

2.数据库字典的实现

 Redis是支持key-value键值对存储的，这其实是通过dict结构来实现的，在前面讲到的内容中，服务器和客户端都指向了一个redisDb的结构，在这个db结构中，就包含存储了键值对的字典结构，首先看一下源码：

typedef struct redisDb {
	...
	// 这个存放的就是键值对
    dict *dict;                 /* The keyspace for this DB */
    // 这个存放的是键值对的过期时间，下面一节会说到
    dict *expires;              /* Timeout of keys with a timeout set */
    ...
} redisDb;

 dict这个指针就指向了存储键值对的字典结构，key是字符串robj类型，value可以是任何的robj类型。当我们分别新增、删除、更新或者查询的时候，其实就是根据输入的key在这个字典上做curd的操作。我们在Redis写入两个键值对，图示如下：

 除了对数据库键值对的curd操作，基于整个数据操作的一些命令也是在这个dict上面实现的，比如清空所有键值对的flushdb，或者exists、del、dbsize命令等等。在执行命令前后，redis还会执行一些其他操作，比如检查是否超出最大内存，更新lru时间，记录慢查询日志，或者向monitor客户端发送命令等等，这就是redis数据字典的实现原理。

3.键值对的生命周期管理

 这里说的生命周期，其实就是指键值对的过期时间。通常我们使用expire key这个命令设置键的过期时间，但其实Redis是有四个命令支持设置过期时间的：

• expire key seconds 将key的生命周期设置为second秒；
• pexpire key milliseconds 将key的生命周期设置为milliseconds毫秒；
• expireat key timestamp 将key的过期时间设置在timestamp这个秒的时间戳过期；
• pexpireat key timestamp 将key的过期时间设置在timestamp这个毫秒的时间戳过期；

 值得说明的是，虽然有这么多命令支持设置过期时间，但是最终经过转换都是指向pexpireat这一个命令来实现。现在的问题是，这么多键值对的过期时间，在redis服务端是怎么保存和维护的呢？

 前面在看redisDb源码的时候，有一个expires属性，我们再把源码拿过来看一下：

typedef struct redisDb {
	...
    // 这个存放的是键的过期时间
    dict *expires;              /* Timeout of keys with a timeout set */
    ...
} redisDb;

 这就很清晰了，通过expires这个指针，指向了一个dict结构，字典中记录的就是所有键值对的过期时间。其中，key是键值对的键，value是long类型的毫秒精度的unix时间戳，即过期的时间点。值得注意的是，保存键值对的dict字典和保存过期时间的expires字典，key指针都指向相同的一个键字符串对象，所以在内存空间上是不会存在浪费的。

 除此之外，跟过期时间操作相关的两个命令，当然也是基于expires这个字典来实现的：

• ttl 返回键值对的剩余时间
• persist删除键值对的过期时间

4.过期键的管理策略

 既然有过期时间，那么键值对过期之后，是不是立即被删除了呢？答案肯定不是，redis通过惰性删除和定期删除两种策略实现对过期键的管理：

• 惰性删除策略：当程序访问到某个键值对的时候，会对过期时间检查，如果过期就删除，否则不处理。
• 定期删除策略：基于serverCron时间事件函数，从一定数量的数据库中取出一定数量的随机键进行检查，并删除其中过期的键值对。

 使用这两种过期键管理策略可以最大程度上在合理使用CPU时间和避免浪费内存空间之间取得平衡。

5.持久化对过期键的处理

rdb 持久化

• save或者bgsave会检查键的过期时间，已过期的键不会保存到的持久化的rdb文件中。
• 服务器启动载入rdb文件时，如果是主服务器，过期键会被忽略加载；如果是从服务器，不论是否过期，都会被加载。

aof 持久化

• 写入aof文件时，key是会写入的，过期之后，通过追加del命令，才会显示的删除此过期键。
• bgrewriteaof 重写时会检查键的过期时间，已过期的键不会写入新的aof文件中。
• 服务器启动载入aof文件时，过期键也会被忽略，不会被加载。

6.主从复制对过期键的处理

 主从复制，为了保证数据的一致性，通常由主服务器执行更新的操作，然后将命令发送给从服务器。在3.2版本之前，由于惰性删除策略的存在，主服务器遇到对过期键的访问，会删除此键值对，并给客户端返回null值，但是从服务器由于不能执行删除操作，即便是此键已过期，也会返回对应的value值，出现数据不一致导致的脏读问题。

 在3.2版本之后，这个问题得到了修改，从服务器会判断当前键是否过期，如果已过期并且是从服务器的话，也会返回null值。

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