第 9 章 資料庫

9.1 伺服器中的資料庫

redis.h/redisServer 結構的 db 陣列中，每個元素都是 redis.h/redisDb 結構，代表一個數據庫

初始化伺服器時會根據伺服器狀態的 dbnum 屬性來決定建立多少個數據庫

dbnum 由伺服器配置的 database 選項決定，預設為 16，所以會預設建立 16 個數據庫

9.2 切換資料庫

Redis 客戶端的目標資料庫為 0 號資料庫，可以通過 SELECT 命令來切換目標資料庫

127.0.0.1:6379> set 32 "hello you"
OK
127.0.0.1:6379> get 32
"hello you"
127.0.0.1:6379> select 2
OK
127.0.0.1:6379[2]> get 32
(nil)
127.0.0.1:6379[2]> set 32 "you hello"
OK
127.0.0.1:6379[2]> get 32
"you hello"
 

在伺服器內部，客戶端狀態的 redisClient 結構的 db 屬性記錄了客戶端當前的目標資料，是一個指向 redisDb 結構的指標

redisClint.db 指標指向 redisServer.db 陣列的一個元素，被指向的元素則是客戶端的目標資料庫

9.3 資料庫鍵空間

redis 是鍵值對資料庫伺服器，每個資料庫都是 redis.h/redisDb 結構表示，dict 字典儲存了資料庫中的鍵值對，這個字典為鍵空間

鍵空間與資料庫是直接對應的

• 鍵空間的鍵是資料庫的鍵，也是一個字串物件
• 鍵空間的值是資料庫的值，每個值可以是任意一種 Redis 物件

所有針對資料庫的操作，實際上都是通過對鍵空間字典進行操作實現的

新增新鍵

新增新鍵值對到資料庫，實際上就是將新鍵值對新增到鍵空間中，鍵為字串物件，值為任意一種 Redis 物件

刪除鍵、更新鍵、對鍵取值

同理新增新鍵

其他命令

FLUSHDB、RANDOMKEY、DESIZE 同樣也是通過對鍵空間進行操作的

9.3.6

不僅只有指定的讀寫操作，還有一些額外的維護操作，包括

• 伺服器會根據鍵是否存在來更新鍵空間命中次數和不命中次數，使用 INFO status 命令的 keyspace_hits 和 keyspace_misses 屬性檢視

• 伺服器會更新鍵的 lru （最後一次使用）時間，可以計算鍵的閒置時間， OBJECT idletime key 檢視

• 讀取一個鍵時發現已經過期了，則會先刪除再進行餘下的操作

• 如果客戶端使用 watch 命令監視了某個鍵，則伺服器修改後，會將其標記為髒，從而讓事務程式注意到鍵已經修改

• 每修改一個鍵後，髒鍵計數器的值 + 1，會觸發伺服器的持久化以及複製操作

• 如果伺服器開啟資料庫通知功能，在對鍵進行修改之後，伺服器會按配置傳送相應的資料庫通知

9.4 設定鍵的生存時間或過期時間

9.4.1 設定過期時間

所有命令底層還是由 PEXPIRE 命令轉換而來的

9.4.2 儲存過期時間

redisDb 結構的 expires 字典儲存了資料庫中所有鍵的過期時間，即過期字典：

• 鍵為指標，指向鍵空間的某個鍵物件

• 值為 long long 型別，儲存了鍵指向的鍵空間鍵物件的過期時間，毫秒精度的 UNIX 時間戳

鍵空間和過期字典的鍵都指向同一個，此處為明顯展示而列舉兩個

9.4.3 移除過期命令

PERSTST 命令移除鍵的過期時間：

在過期字典中查詢給定的鍵，並解除鍵和值在過期字典中的關聯

9.4.4 計算並返回剩餘生存時間

TTL 秒為單位，PTTL 毫秒為單位，通過計算鍵的過期時間與當前時間之差

9.4.5 過期鍵的判定

1. 檢查給定鍵是否存在於過期字典；存在則取得過期時間
2. 檢查當前 UNIX 時間戳是否大於鍵的過期時間；是則鍵已經過期，否則未過期

或者使用 TTL 或 PTTL 命令，但實際中是使用 is_expired 函式

9.5 過期鍵刪除策略

• 定時刪除：主動
  • 設定過期時間的同時建立定時器，過期時間到達立即刪除
• 惰性刪除：被動
  • 當從鍵空間獲取鍵時，檢查是否過期，過期則刪除，沒有則返回
• 定期刪除：主動
  • 每隔一段時間，對資料庫檢查，刪除多少，檢查多少資料庫則由演算法決定

9.5.1 定時刪除

• 記憶體友好

• CPU 最不友好

• 需要使用 Redis 的時間事件，時間事件實現方式為無序連結串列，則查詢一個事件的時間複雜度為 O(N)

9.5.2 惰性刪除

• 對 CPU 最友好

• 對記憶體最不友好

• 浪費大量記憶體

9.5.3 定期刪除

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和頻率來減少刪除操作對 CPU 時間的影響，有效減少了過期鍵的記憶體浪費

時長和頻率難以確定：

• 執行頻繁、時間長，會退化成定時刪除

• 執行少、時間短，退化為惰性刪除

9.6 Redis 的過期鍵刪除策略

9.6.1 惰性刪除策略的實現

由 db.c/expireIfNeeded 函式實現，所有讀寫資料庫的 Redis 命令在執行之前都會呼叫此函式對輸入鍵進行檢查

• 過期，此函式將鍵從資料庫中刪除
• 未過期，此函式不做動作

命令執行時也需要按照兩種情況執行

9.6.2 定期刪除策略的實現

由 redis.c/activeExpireCycle 函式實現，Redis 週期性操作 redis.c/serverCron 函式執行時，activeExpireCycle 函式會呼叫，在規定時間內，分多次遍歷各個資料庫，從 expires 字典中隨機檢查一部分鍵的過期時間，並刪除過期鍵

activeExpireCycle：

1. 執行時，從一定數量的資料庫取出一定數量的隨機鍵進行檢查，刪除過期鍵
2. current_db 會記錄當前函式檢查的進度，並在下一次呼叫此函式時按上一次進度進行處理
3. 函式不斷執行，所有資料庫都會被檢查一遍，current_db 置為 0 ，開始新一輪的檢查

9.7 AOF、ROB 和複製功能對過期鍵的處理

9.7.1 生成 RDB 檔案

在執行 save 命令或者 bgsave 命令建立新的 RDB 檔案時，對鍵會進行檢查，已經過期的鍵不會被儲存到新建立的 RDB 檔案中

9.7.2 載入 RDB 檔案

對 RDB 檔案進行載入：

• 以主伺服器模式執行，在載入時會對檔案中儲存的鍵進行檢查，未過期的鍵會被載入到資料庫中，已過期的會被忽略

• 以從伺服器模式執行，檔案中所有鍵都會被載入資料庫，但是主從伺服器進行資料同步時，從伺服器的資料庫就會被清空

9.7.3 AOF 檔案寫入

伺服器以 AOF 持久化模式執行時，如果某個鍵過期，但沒有被惰性刪除或者定期刪除，AOF 檔案不會因這個過期鍵產生任何影響

當過期鍵被刪除後，會向 AOF 檔案追加一條 DEL 命令顯示記錄該鍵已被刪除

9.7.4 AOF 重寫

類似生成 RDB 檔案，對鍵檢查，已過期的不會被儲存

9.7.5 複製

當伺服器在複製模式下，從伺服器的過期刪除動作由主伺服器控制：

• 主伺服器刪除一個過期鍵，顯示向所有從伺服器傳送一個 DEL 命令，告知從伺服器刪除這個過期鍵
• 從伺服器在執行客戶端傳送的讀命令時，遇到過期鍵也不會將過期鍵刪除，當成未過期鍵處理
• 從伺服器只有在接到豬伺服器發來的 DEL 命令之後才會刪除過期鍵

通過主伺服器控制從伺服器統一刪除過期鍵，來保證主從伺服器的一致性

9.8 資料庫通知

讓客戶端通過訂閱給定的頻道或者模式，來獲知資料庫中鍵的變化，以及命令的執行情況

• 鍵空間通知：
  • 某個鍵執行了什麼命令
• 鍵事件通知
  • 某個命令被什麼鍵執行了

notify-keyspace-events 決定傳送通知的型別

• 傳送所有型別的鍵空間通知和鍵事件通知：AKE

• 傳送所有型別的鍵空間通知：AK

• 傳送所有型別的鍵事件通知：AE

• 傳送和字串鍵相關的鍵空間通知：K$

• 傳送和列表鍵相關的鍵事件通知：EL

9.8.1 傳送通知

傳送資料庫通知功能由 notify.c/notifyKeyspaceEvent 實現：

void notifyKeyspaceEvent(int type, char *event, robj  *key, int dbid);

type 為當前想要傳送的通知的型別，根據這個值來判斷通知是否就是伺服器配置 notify-keyspace-event 選項所選定的通知型別來決定是否傳送通知

event 事件名稱

keys 產生事件的鍵

dbid 產生事件的資料庫號

根據這些引數來構建事件通知的內容、以及接受通知的頻道名

REDIS_NOTIFY_SET：集合鍵通知

REDIS_NOTIFY_GENERIC：通用型別通知

notifyKeyspaceEvent：

1. server.notify_keyspace_events 為 notify-keyspace-events 選項設定的值，如果給定的通知型別 type 不是伺服器允許傳送的通知型別，函式直接返回
2. 是伺服器允許傳送的通知型別，再檢測是否允許傳送鍵空間通知，允許則構建併發送事件通知
3. 最後再檢測是否允許傳送鍵事件通知，允許中午構建併發送事件通知

pubsubPublishMessage 是PUBLISH 命令的實現函式