Redis | 第4章 Redis中的數據庫《Redis設計與實現》

目錄

• 前言
• 1. Redis中的數據庫
• 2. 數據庫的鍵空間
• 3. 鍵的生成時間與過期時間
• 4. Redis中的過期鍵刪除策略
• 5. AOF、RDB和復制功能對過期鍵的處理
  • 5.1 生成 RDB 文件
  • 5.2 載入 RDB 文件
  • 5.3 AOF 文件寫入
  • 5.4 AOF 重寫
  • 5.5 復制
• 6. 數據庫通知
• 最后

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前言

參考資料：《Redis設計與實現 第二版》；

第二部分為單機數據庫的實現，主要由以下模塊組成：數據庫、持久化、事件、客戶端與服務器；

本篇將介紹 Redis 中的數據庫；

與本章相關的 Redis 命令總結在下篇文章，歡迎點擊收藏，本篇將不再重復：

《Redis常用命令及示例總結（API）》：https://www.cnblogs.com/dlhjw/p/15639773.html

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1. Redis中的數據庫

• Redis服務器的所有數據庫保存在redis.h/redisService結構的db數組中：

  struct redisService{
      //...
      //保存所有數據庫的數組
      redisDB *db;
    
      //服務器的數據庫數量
      int dbnum;
      //...
  }
  

  • dbnum屬性由服務器配置的 database 選項決定，默認為 16；

• Redis客戶端數據庫保存在在redisClient結構的db屬性：

  typedef struct redisClient{
      //...
      //記錄客戶端當前正在使用的數據庫
      redisDB *db;
  } redisClient;
  

  • 客戶端通過修改目標數據庫指針，讓它指向 redisService.db 數組中的不同元素；
  • 可以通過 SELECT index 命令來切換數據庫；
    

• 數據庫的定義在redis.h/redisDb結構中：

  typedef struct redisDb{
      //...
      //數據庫鍵空間，保存數據庫中所有的鍵值對
      dict *dict;
      
      //過期字典，保存着鍵的過期時間
      dict *expires;
  } redisDb;
  

  • 鍵空間的鍵是數據庫的鍵，每個鍵是一個字符串對象；
  • 鍵空間的值是數據庫的值，每個值可以是字符串對象、列表對象、哈希表對象、集合對象和有序集合對象中的一種；

2. 數據庫的鍵空間

• 數據庫鍵空間是一個字典，所有針對數據庫的操作都是通過鍵空間字典來操作的；
• 在對鍵空間進行讀寫操作時，Redis 還會進行一些維護操作：
  • 讀取鍵后，會根據鍵是否存在更新服務器的鍵空間命中 keyspace_hits 次數或鍵空間不命中 keyspace_misses 次數。通過 INFO stats 命令查看屬性；
  • 讀取鍵后，服務器會更新鍵的 LRU（最后一次使用時間）。通過 ONBJECT idlettime [key] 命令查看key的閑置時間；
  • 服務器在讀取鍵時發現鍵已經過期，會先刪除這個過期鍵；
  • 如果有客戶端使用 WATCH 命令監視某個鍵，服務器對該鍵修改后會標記上臟 dirty，讓事務處理程序注意；
  • 服務器每修改一個鍵后，會對臟 dirty 鍵計數器值增 1，計數器會觸發服務器的持久化以及復制操作；

3. 鍵的生成時間與過期時間

• 鍵的時間相關設置命令參看《Redis常用命令及示例總結》1.3 生存時間的功能；
• 生存時間：
  • 客戶端可以通過 EXPIRE 或 PEXPIRE 命令以秒或毫秒精度為數據庫中某個鍵設置生存時間（Time To Live，TTL）。經過指定時間后，服務器自動刪除生存時間為0的鍵；
  • 可以通過 SETEX 命令在設置字符串鍵同時設置過期時間；
  • 使用 TTL 或 PTTL 命令獲取鍵的剩余生存時間；
• 過期時間：
  • 客戶端設置過期時間的命令是 EXPIREAT 或 PEXPIREAT；
  • 過期時間是一個 UNIX 時間戳；
• EXPIRE、PEXPIRE 和 EXPIREAT 三個命令都會轉換成 PEXPIREAT 命令實現；

4. Redis中的過期鍵刪除策略

• 有三種刪除過期鍵的策略：

  • 定時刪除：主動策略。對內存最友好，到期就釋放內存。缺點是對CPU事件不友好，當過期鍵比較多時，會占用一部分CPU時間；
  • 惰性刪除：被動策略。對CPU時間最友好。每次從鍵空間獲取鍵時，檢查取得的鍵是否過期，過期則刪除。缺點是對內存不友好；
  • 定期刪除：主動策略。前兩種策略的整合與折中。每隔一段時間執行一次刪除過期鍵操作，並通過限制刪除操作執行的時長與頻率減少刪除操作對CPU時間的影響。缺點是難以確定刪除操作執行的時長和頻率；

• 惰性刪除策略由 db.c/expireIfNeeded 函數實現，流程如下：

• 定期刪除策略由 redis.c/activeExpireCycle 函數實現，每當Redis的服務器周期性操作 redis.c/serverCron 函數執行時，activeExpireCycle 函數會被調用。在規定的時間內，分多次遍歷服務器各個數據庫，從數據庫的 expires 字典中隨機檢查一部分過期時間，刪除其中過期鍵；

5. AOF、RDB和復制功能對過期鍵的處理

5.1 生成 RDB 文件

• 在執行 SAVE 或 BGSAVE 命令創建一個新的 RBG 文件時，程序會對數據庫中的鍵進行檢查，已過期的鍵不會被保存到新創建的 RDB 文件中；

5.2 載入 RDB 文件

• 載入 RDB 文件時：
  • 若服務器以主服務器模式運行，過期鍵不載入；
  • 若服務器以從服務器模式運行，所有鍵都會載入；

5.3 AOF 文件寫入

• 當服務器以 AOF 持久化模式運行時，未被惰性刪除和定期刪除的過期鍵不會對 AOF 文件產生影響；
• 當過期鍵被惰性刪除或定期刪除后，程序會向 AOF 文件追加（append）一條 DEL 命令，顯示記錄該鍵已被刪除；

5.4 AOF 重寫

• 與 RDB 文件類似，在執行 AOF 重寫過程中，程序會對數據庫中的鍵進行檢查，已過期的鍵不會被保存到重寫后的 AOF 文件中；

5.5 復制

• 當服務器運行在復制模式下時，從服務器的過期鍵刪除動作由主服務器控制；
  
  

6. 數據庫通知

• 數據庫通知是 Redis 2.8 版本新增的功能；
• 數據庫通知可以讓客戶端通過訂閱給定的頻道或模式，來獲知數據庫中鍵的變化，以及數據庫中命令的執行情況；
• Redis 命令對數據庫進行修改后，服務器會根據配置向客戶端發送數據庫通知；
• 通知的相關命令可以參考 《Redis常用命令及示例總結》7. Pub/Sub（發布/訂閱）；
• 兩類通知類型：
  • 鍵空間通知 key-space notification：關注 “某個鍵執行了什么命令”；SUBSCRIBE channel:message；
  • 鍵事件通知 key-event notification：關注 “某個命令被什么鍵執行了”；SUBSCRIBE channel:del；
• 服務器配置的 notify-keyspace-events 選項決定服務器所發送通知的類型：
  • AKE：發送所有類型的鍵空間和鍵事件通知；
  • AK：發送所有類型的鍵空間通知；
  • AE：發送所有類型的鍵事件通知；
  • K$：只發送字符串有關的鍵空間通知；
  • EL：只發送列表鍵有關的鍵事件通知；
• 發送數據庫通知的功能是由 notify.c/notifyKeyspaceEvent 函數實現；

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最后

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