Redis 設計與實現[2] -- 單機資料庫的實現
1 鍵空間
set message "hello word"
rpush alphabet "a" "b" "c"
hset book name "Redis in action"
hset book author "Josian L. Carlson"
hset book publisher "Manning"
執行以上指令後，資料庫的鍵空間如下所示：
2 總結
- Redis 伺服器的所有資料都是儲存在 redisServer.db 陣列中，而資料庫的數量則由 redisServer.dnum 屬性儲存
- 客戶端通過修改目標資料庫指標，讓它指向 redisServer.db 陣列中的不同元素來切換資料庫
- 資料庫主要由 dict 和 expires 兩個字典構成，其中 dict 字典負責儲存鍵值對，expires 字典則負責儲存鍵的過期時間
- Redis 使用惰性刪除和定期刪除兩種策略來刪除過期的鍵：惰性刪除策略只在碰到過期鍵時才進行刪除操作，定時刪除策略則每隔一段時間主動查詢並刪除過期鍵
3 持久化
3.1 RDB
RDB 持久化功能所生成的 RDB 檔案是一個經過壓縮的二進位制檔案，通過該檔案可以還原生成 RDB 檔案時的資料庫狀態。
兩個指令可以用於生成 RDB 檔案：SAVE 和 BGSAVE
- SAVE 指令會阻塞 Redis 伺服器程序，直到 RDB 檔案建立完畢為止，在伺服器程序阻塞期間，伺服器不能處理任何命令請求
- BGSAVE 命令會派生出一個子程序，然後由子程序負責建立 RDB 檔案，伺服器程序繼續處理命令請求
RDB 檔案的載入工作是在伺服器啟動時自動執行的，只要 Redis 伺服器在啟動時檢測到 RDB 檔案存在，它就會自當載入 RDB 檔案。但是由於 AOF 檔案的更新頻率通常比 RDB 檔案要高，因此伺服器會優先使用 AOF 檔案來還原資料庫狀態。
對於一個空的 RDB 檔案，將由以下四個部分組成：
- 五個位元組的 “REDIS” 字串
- 四個位元組的版本號 （db_version）
- 一個位元組的 EOF 常量
- 八個位元組的校驗和（check_sum）
3.2 AOF
AOF 是通過儲存 Redis 伺服器所執行的寫命令來記錄資料庫的狀態，在讀取檔案還原資料的時只需要從 AOF 檔案中分析並依次讀取出每條寫命令
AOF 的持久化功能的實現可以分為命令追加，檔案寫入，檔案同步三個步驟
命令追加：當 AOF 持久化功能處於開啟狀態時，伺服器在執行完一個寫命令後，會以協議格式將被執行的寫命令追加到伺服器狀態的 aof_buf 緩衝區的末尾
檔案寫入：關於檔案的寫入和同步操作，可以使用以下虛擬碼來描述
def eventLoop():
while True:
# 處理檔案事件，接收命令請求以及傳送命令回覆
# 處理命令請求時可能會有新內容被追加到 aof_buf 緩衝區中
processFileEvents()
# 處理時間事件
processTimeEvents()
# 考慮是否要將 aof_buf 中的內容寫入和儲存到 AOF 檔案裡面
flushAppendOnlyFile()
flushAppendOnlyFile 函式的行為由伺服器配置的 appendfsync 選項的值來決定，各個不同值產生的行為不同：
always（將緩衝區所有內容寫入並同步到 AOF 檔案），（將所有內容寫入到 AOF 檔案並每間隔一秒同步一次），no（及那個內容寫入到 AOF 檔案，但是同步時間由作業系統決定）
由於 Redis 使用單執行緒來處理命令請求，如果服務直接呼叫 aof_rewrite 函式來重寫 aof 檔案，則服務期間無法處理客戶端發來的命令請求，因此，Redis 將 AOF 重寫程式放到子程序裡執行，其優點如下：
- 子程序進行 AOF 重寫期間，伺服器程序可以繼續處理命令請求
- 子程序帶有伺服器程序的資料副本，使用子程序而不是執行緒，可以在避免使用鎖的情況下，保證資料的安全性
AOF 後臺重寫的具體實現如下：
伺服器：
- 執行客戶端發來的命令
- 將執行後的寫命令追加到 AOF 緩衝區
- 將執行後的寫命令追加到 AOF 重寫緩衝區
子程序在完成 AOF 重寫後，會向父程序傳送一個訊號，父程序接到該訊號後會呼叫一個訊號處理函式並執行以下工作：
- 將 AOF 重寫緩衝區中的所有內容寫到新 AOF 檔案中
- 對新的 AOF 檔案進行改名，原子地覆蓋現有的 AOF 檔案，完成新舊兩個 AOF 檔案的替換
4 客戶端和伺服器
4.1 客戶端
- Redis 是一對多的伺服器程式，通過使用由 I/O 多路複用技術實現的檔案事件處理器，Redis 伺服器使用單執行緒單程序的方式來處理命令請求，並與多個客戶端進行網路通訊
- 伺服器狀態結構使用 clients 連結串列連線起多個客戶端狀態，新新增的客戶端狀態會被放到連結串列的末尾
4.2 伺服器
伺服器的啟動：
- 初始化伺服器狀態
- 載入伺服器配置
- 初始化伺服器資料結構fu
- 還原資料結構
- 執行事件迴圈
命令從傳送到完成：
- 客戶端將命令請求傳送給伺服器
- 伺服器讀取命令請求，並分析出命令引數
- 命令執行器根據引數查詢命令的實現函式，然後執行實現函式並得出命令回覆
- 伺服器將命令回覆返回給客戶端