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redis数据库解析

2019.08.21 08:28 58浏览

数据库

本篇文章是redis系列中的第二大部分的开始,这一部分为数据库的实现,主要讲单节点的数据库知识。下边附上第一部分基础知识总结篇的链接,有需要的童鞋,欢迎查看。

文章主要内容如下:

图片描述

1、数据库结构

redis服务器将所有数据库都保存在服务器状态redis.h/redisServer结构的db数组中,db数组中每一个项都是一个redis.h/redisDb结构。

redisServer结构如下:

struct redisServer{
    //一个数组,保存着服务器中的所有数据库
    redisDb *db;
    //服务器的数据库数量
    int dbnum;
};

每个redis客户端都有自己的目标数据库,每当客户端执行命令时,目标数据库就会成为这些命令的操作对象。默认情况下为0号数据库,可以通过SELECT命令切换目标数据库。

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

结构图如下:
图片描述

2、键空间

Redis是一个键值对数据库服务器,服务器中的每个数据库都由一个redis.h/redisDb结构表示,其中redisDb结构的dict字典保存了数据库中的所有键值对,我们称这个字典为键空间

typedef struct redisDb{
    //数据库键空间,保存着数据库中的所有键值对
    dict *dict;
}redisDb;

键空间和用户所见的数据库是直接对应的:

这里我们新建一个字符串对象message,列表对象alphabet和哈希集合book,结构如下:

图片描述

所有针对数据库的操作,都是通过对键空间字典进行操作实现的。清空整个数据库的FLUSHDB命令,就是通过删除键空间中的所有键值对来实现的。

2.1、读写键空间的附加操作

当redis进行读写操作是,会对键空间执行以下维护操作。

  1. 在读取一个键之后,服务器会根据键是否存在更新服务器的键空间命中次数。
  2. 在读取一个键后,服务器会更新键的LRU时间。
  3. 如果服务器在读取一个键时,发现该键已过期,那么服务器会先删除这个过期键,再执行其他操作。
  4. 如果客户端使用了WATCH命令监视了某个键,那么服务器对被监视的键进行修改之后,会将这个键标记为dity,让事务程序注意。
  5. 服务器每次修改一个键之后,都会对dity键计数器的值增加1,这个计数器会触发服务器的持久化以及复制操作。
  6. 如果开启了数据库通知功能,那么再对键进行修改之后,服务器将按照配置发送响应的数据库通知。
3、生存时间

通过EXPIRE命令或者PEXPIRE命令,客户端可以以秒或者毫秒精度为数据库中的键设置生存时间,经过指定的秒数或者毫秒数之后,服务器会自动删除生存时间为0的键。类似的EXPIREAT命令或者PEXPIREAT命令,设置过期时间;过期时间是UNIX时间戳,当键的过期时间来临时,服务器会自动删除这个键。

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

EXPIRE命令,PEXPIRE命令和EXPIREAT命令,都是通过转换为PEXPIREAT命令来执行的。

图片描述

3.1、过期字典

redisDb结构的expires字典保存了数据库中所有键的过期时间。

  • 过期字典的键是一个指针,这个指针指向键空间中的某个键对象。
  • 过期字典的值是一个long long类型的整数,这个整数保存了键所指向的数据库的过期时间。

图片描述

4、过期策略
4.1、现有策略
策略 实现 优点 缺点
定时 设置键的同时,设置定时器,到期立即删除 内存友好 cpu不友好
惰性 每次获取时,删除已过期的键值对 内存不友好 cpu友好
定期 每隔一段时间,对数据库检查一次,删除里边的过期键 折中 折中

定期策略的难点是确定删除操作执行的时长和频率,设置不好会退化成定时或者惰性策略。

4.2、redis的策略

redis使用惰性和定期两种策略。通过配合使用,在合理的利用cpu和避免内存浪费之间取得平衡。

5、AOF、RDB和复制
5.1、生成RDB

在执行SAVE命令或者BGSAVE命令创建一个新的RDB文件时,程序会对数据库中的键进行检查,已经过期的键不会被保存到新创建的RDB文件中。

5.2、载入RDB

在启动redis服务器时,如果服务器开启了RDB功能,那么服务器将对RDB文件进行载入:

  • 如果服务器以主服务器模式运行,那么再载入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,而过期的键会被忽略。
  • 如果服务器以从服务器模式运行,那么再载入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。因为主从服务器在数据同步时,从服务器数据库会被清空,所以不会造成影响。
5.3、AOF文件写入

当服务器以AOF模式持久化运行时,如果数据库中的某个键已经过期,但它还没有被删除,那么AOF问价不会因为这个过期键而产生任何影响。当过期键被删除后,程序向AOF文件追加一条DEL命令,来显式的记录该键已被删除。
主要步骤如下:

  1. 从数据库中删除键
  2. 追加一条DEL
  3. 向执行GET命令客户端返回空
5.4、AOF重写

和生成RDB类似,已过期的键不会被保存到重写后的AOF文件。

5.5、复制

当服务器运行在复制模式下时,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之后,会显式地向所有从服务器发送一个DEL命令,告知从服务器删除这个过期键。
  • 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,而是继续像处理未过期键一样来处理过期键。
  • 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。
6、数据库通知

在2.8版本之后,客户端可以通过订阅给定的频道或者模式,来获知数据库中键的变化。当redis命令对数据库进行修改后,服务器会根据配置向客户端发送数据库通知。服务器配置的notify-keyspace-events选项决定了服务器所发送通知的类型。

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