Redis设计与实现——单机数据库的实现

数据库

服务器中的数据库

redisClient切换数据库

redis客户端默认目标数据库为0号数据库，可以通过SELECT命令来切换目标数据库。

客户端状态redisClient结构的db属性记录了客户端当前的目标数据库，这个属性是指向redisdb结构的指针。

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

数据库键空间

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的dict字典保存了数据库中的所有键值对，我们将这个字典称为键空间。

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：

1）键空间的键也就是数据库的键，每个键都是一个字符串对象。

2）键空间的值也就是数据库的值，每个值可以是字符串对象，列表对象，哈希表对象，集合对象和有序集合对象中任意一种Redis对象。

e.g.

redis > SET message "hello world"
ok
redis > RPUSH alphabet "a" "b" "c"

redis > HSET book namr "Redis in Action"

redis > HSET book author "Josiah L. Carlson"

redis > HSET book publisher "Manning"

读写键空间时的维护操作

当使用Redis命令对数据库进行读写时，服务器不仅对键空间执行指定的读写操作。还会执行一些额外的维护工作。

1)对一个键的读取命中次数和未命中次数，在INFO stats命令的keyspace_hits属性和keyspace_misses属性中查看。

2）读取一个键之后，服务器会更新键的LRU时间，这个值可以用于计算键的闲置时间。

3）读取一个键发现键已经过期了，那么服务器会删除这个过期键，然后才执行余下的其他操作。

4）如果有客户端使用WATCH命令监视某个键，被修改之后会记为脏（dirty），让事务程序注意到这修改。

5）每次修改一个键之后，都会对脏（dirty）键计数器的值增1，这个计数器会触发服务器的持久化以及复制操作。

6）键的修改触发数据库通知功能。

设置键的生存时间或过期时间

保存过期键：

typedef struct redisDb{
    //过期字典，保存着键的过期时间
    dict *expires;
} redisDb;

移除过期时间，计算并返回剩余生存时间，过期键的判定类似。

过期键删除策略

三种策略；定时删除，惰性删除，定期删除。

redis的过期删除策略

Redis服务器实际使用的是惰性删除和定期删除两种策略：通过配合使用这两种删除策略，服务器可以很好地合理使用CPU时间和避免浪费内存空间之间取得平衡。

懒性删除策略的实现：                                                                                                       定期删除策略的实现：

             

AOF,RDB和复制功能对过期键的处理

RDB持久化：

生成RDB文件将过滤过期键。

载入RDB文件，如果是主服务器模式运行，过滤过期键；如果是从服务器模式运行，则一并载入，主从数据同步会清空从节点数据，所以不会有影响。

AOF持久化：

同样对写AOF文件，会过滤过期键。

复制功能：

数据库通知

总结

RDB持久化

RDB文件的创建和载入

保存RDB二进制文件，使用SAVE,BGSAVE，其中save命令会堵塞进程，而bgsave会启动后台进程。如果启动了AOF持久化，那优先载入AOF日志。

自动间隔性保存

#设置保存条件
save          服务器在900秒之内，对数据库进行了至少1次修改
save        服务器在300秒之内，对数据库进行了至少10次修改
save      服务器在60秒之内，对数据库进行了至少10000次修改

#实现
struct redisServer{
    //计入了保存条件的数组
    struct saveparam *saveparam
    //dirty修改计数器  表示服务器在上次保存后，对数据库状态共进行多少次修改
    long long dirty
    //上一次执行保存的时间
    time_t   lastsave
}

struct saveparam {
    //秒数
    time_t  seconds;
    //修改数
    int changes
}

#检查保存条件是否满足，则每隔100毫秒周期性执行ServerCron函数，遍历条件数组saveparam，对满足条件的数据库，计数器置为0，并更新上次保存时间。

总结：

AOF持久化

与RDB持久化不同的是，aof持久化是通过写命令来保存数据库状态，而RDB保存的是键值对。

AOF持久化实现

AOF持久化功能分为：命令追加，文件写入，文件同步三个步骤。

命令追加：

struct redisServer{
    //AOF缓冲区     写命令按照一定格式会追加到缓冲区
    sds aof_buf;
}

AOF文件的写入与同步：

def eventLoop():
       while True :
            #处理文件事件，接受命令请求以及发送命令回复
             processFileEvents()
             #处理时间事件  类似于ServerCron定期执行函数
             processTimeEvents()
            #考虑是否将aof_buf中的内容写入和保存到AOF文件里面,三个选项
             flushAppendOnlyFile()

AOF文件的载入与数据还原

AOF文件重写

Redis服务器可以创建一个新的AOF文件来替代现有的AOF文件，新旧两个AOF文件所保存的数据库状态相同。

但新的AOF文件不包含冗余命令，所以体积相对较小。

AOF后台重写：

为了解决数据不一致问题，Redis服务器设置了一个AOF重写缓冲区，这个缓冲区在服务器创建子进程之后开始使用。

当子进程完成AOF重写工作之后，会向父进程发送一个信号，父进程会调用一个信号处理函数并执行以下操作：

1)将AOF重写缓冲区中所有内容写入新AOF文件中，这时新AOF保存的数据库状态==服务器当前数据库状态；

2）对新的AOF文件改名，原子替换旧的AOF文件；

注意：只有信号处理函数执行时会对服务器进程造成堵塞，对性能造成的影响降到最低。

总结：

事件

文件事件：

I/O多路复用程序总是会将所有产生事件的套接字都放在一个队列里面，并串行化地向文件事件分派器传送套接字。

时间事件

服务器将所有时间事件都放在一个无序链表中，每当时间事件执行器运行时，它就会遍历整个链表，查找所有已到达的时间事件，并调用相应的事件处理器。

Redis时间事件分为两类：

定时事件：让一段程序在指定的时间之后执行一次。

周期性事件：让一段程序每隔指定时间就执行一次。

事件的调度与执行

总结：

客户端

struct redisServer{
    //一个保存所有client的链表
    list *clients;
}

客户端属性

typedef  struct redisClient{
    //套接字描述符
    int fd;

    //名字
    robj *name;

    //标志，记录客户端角色，以及目前所处的状态
    int flag;

   //输入缓冲区 用于保存客户端发出的命令请求
    sds querybuf;

   //其他 如命令参数，参数个数，输出缓冲区，身份认证，时间
}redisClient;

客户端的创建与关闭

当客户端与服务器通过网络建立连接时，服务器就会调用连接处理事件，为客户端创建相应的客户端状态，并将新的客户端状态添加到服务器状态结构clients链表的尾链。

伪客户端：

Lua脚本的伪客户端

AOF文件的伪客户端

总结：

服务端