Redis資料庫原理深入刨析

2022-11-23 14:01:34

1.伺服器和使用者端實現的資料庫

Redis伺服器在啟動時，會根據redis.conf檔案的中databases xx這個設定決定建立多少個資料庫（預設設定是16），啟動後預設使用的0號資料庫，當然可以使用select dbnum這個命令來切換。需要注意的是在redis叢集模式下，只有0號資料庫可以用，是無法切換到其他庫的。

Redis伺服器會將所有的資料庫都儲存在伺服器狀態的redisServer的db陣列中，陣列的每一項都代表了一個資料庫，用redisDb結構來表示，首先看一下redisServer.db的原始碼：

struct redisServer {
	...
	// 代表資料庫的陣列
    redisDb *db;
    // 這個記錄的組態檔中資料庫的數量
	int dbnum;  
    ...
}

我們通過使用者端向Redis寫入的任何資料都會記錄到這個db陣列中，根據前面描述，我們知道可以通過select命令切換到另一個目標資料庫，但是使用者端是怎麼記錄的它當前操作的哪個資料庫呢？我們繼續看一下原始碼：

typedef struct client {
    ...
    // 指標指向當前使用者端正在操作的資料庫
    redisDb *db;            /* Pointer to currently SELECTed DB. */
	...
} client;

看，在client使用者端狀態中，有一個db指標，指向了server.db陣列中的某一項，代表了當前使用者端正在操作的資料庫。所以通過切換client.db的指標，調整使用者端操作的資料庫，這就是select命令的實現原理。

2.資料庫字典的實現

Redis是支援key-value鍵值對儲存的，這其實是通過dict結構來實現的，在前面講到的內容中，伺服器和使用者端都指向了一個redisDb的結構，在這個db結構中，就包含儲存了鍵值對的字典結構，首先看一下原始碼：

typedef struct redisDb {
	...
	// 這個存放的就是鍵值對
    dict *dict;                 /* The keyspace for this DB */
    // 這個存放的是鍵值對的過期時間，下面一節會說到
    dict *expires;              /* Timeout of keys with a timeout set */
    ...
} redisDb;

dict這個指標就指向了儲存鍵值對的字典結構，key是字串robj型別，value可以是任何的robj型別。當我們分別新增、刪除、更新或者查詢的時候，其實就是根據輸入的key在這個字典上做curd的操作。我們在Redis寫入兩個鍵值對，圖示如下：

除了對資料庫鍵值對的curd操作，基於整個資料操作的一些命令也是在這個dict上面實現的，比如清空所有鍵值對的flushdb，或者exists、del、dbsize命令等等。在執行命令前後，redis還會執行一些其他操作，比如檢查是否超出最大記憶體，更新lru時間，記錄慢查詢紀錄檔，或者向monitor使用者端傳送命令等等，這就是redis資料字典的實現原理。

3.鍵值對的生命週期管理

這裡說的生命週期，其實就是指鍵值對的過期時間。通常我們使用expire key這個命令設定鍵的過期時間，但其實Redis是有四個命令支援設定過期時間的：

expire key seconds 將key的生命週期設定為second秒；
pexpire key milliseconds 將key的生命週期設定為milliseconds毫秒；
expireat key timestamp 將key的過期時間設定在timestamp這個秒的時間戳過期；
pexpireat key timestamp 將key的過期時間設定在timestamp這個毫秒的時間戳過期；

值得說明的是，雖然有這麼多命令支援設定過期時間，但是最終經過轉換都是指向pexpireat這一個命令來實現。現在的問題是，這麼多鍵值對的過期時間，在redis伺服器端是怎麼儲存和維護的呢？

前面在看redisDb原始碼的時候，有一個expires屬性，我們再把原始碼拿過來看一下：

typedef struct redisDb {
	...
    // 這個存放的是鍵的過期時間
    dict *expires;              /* Timeout of keys with a timeout set */
    ...
} redisDb;

這就很清晰了，通過expires這個指標，指向了一個dict結構，字典中記錄的就是所有鍵值對的過期時間。其中，key是鍵值對的鍵，value是long型別的毫秒精度的unix時間戳，即過期的時間點。值得注意的是，儲存鍵值對的dict字典和儲存過期時間的expires字典，key指標都指向相同的一個鍵字串物件，所以在記憶體空間上是不會存在浪費的。

除此之外，跟過期時間操作相關的兩個命令，當然也是基於expires這個字典來實現的：

ttl 返回鍵值對的剩餘時間
persist刪除鍵值對的過期時間

4.過期鍵的管理策略

既然有過期時間，那麼鍵值對過期之後，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現對過期鍵的管理：

惰性刪除策略：當程式存取到某個鍵值對的時候，會對過期時間檢查，如果過期就刪除，否則不處理。
定期刪除策略：基於serverCron時間事件函數，從一定數量的資料庫中取出一定數量的隨機鍵進行檢查，並刪除其中過期的鍵值對。

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時間和避免浪費記憶體空間之間取得平衡。

5.持久化對過期鍵的處理

rdb 持久化

save或者bgsave會檢查鍵的過期時間，已過期的鍵不會儲存到的持久化的rdb檔案中。
伺服器啟動載入rdb檔案時，如果是主伺服器，過期鍵會被忽略載入；如果是從伺服器，不論是否過期，都會被載入。

aof 持久化

寫入aof檔案時，key是會寫入的，過期之後，通過追加del命令，才會顯示的刪除此過期鍵。
bgrewriteaof 重寫時會檢查鍵的過期時間，已過期的鍵不會寫入新的aof檔案中。
伺服器啟動載入aof檔案時，過期鍵也會被忽略，不會被載入。

6.主從複製對過期鍵的處理

主從複製，為了保證資料的一致性，通常由主伺服器執行更新的操作，然後將命令傳送給從伺服器。在3.2版本之前，由於惰性刪除策略的存在，主伺服器遇到對過期鍵的存取，會刪除此鍵值對，並給使用者端返回null值，但是從伺服器由於不能執行刪除操作，即便是此鍵已過期，也會返回對應的value值，出現資料不一致導致的髒讀問題。

在3.2版本之後，這個問題得到了修改，從伺服器會判斷當前鍵是否過期，如果已過期並且是從伺服器的話，也會返回null值。

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