这是我参与8月更文挑战的第10天，活动详情查看：8月更文挑战

一、数据库键空间操作及特性

Redis是一个键值对（key-value pair）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，我们将这个字典称为键空间（key space）:

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的任意一种Redis对象。

数据库键空间包含列表对象、哈希对象、字符串对象例子

1、添加新键

添加一个新键值对到数据库，实际上就是将一个新键值对添加到键空间字典里面，其中键为字符串对象，而值则为任意一种类型的Redis对象。 2、删除键

删除数据库中的一个键，实际上就是在键空间里面删除键所对应的键值对对象。 3、更新键

对一个数据库进行更新，实际上就是对键空间里面键所对应的值对象进行更新，根据值对象的类型不同，更新的具体方法也会有所不同。 3、对键取值

对一个数据库进行取值，实际上就是在键空间中取出键所对应的值对象，根据值对象的类型不同，具体的取值方法也会有所不同。除了上述操作之外，还有很多针对数据库本身的Redis命令，也是通过对键空间进行处理来完成的。比如清空整个数据库的FLUSHDB命令，就是通过删除键空间中所有键值对数量来实现的；用于随机返回数据库中某个键的RANDOMKEY命令，就是通过在键空间中随机返回一个键来实现的。类似的命令还有EXISTS、RENAME、KEYS等。

1.1 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，服务器不仅会对键空间执行指定的读写操作，还会执行一些额外的维护操作，其中包含以下：
1、在读取一个键之后（读操作和写操作都要对键进行读取），服务器会根据键是否存在来更新服务器的键空间命中（hit）次数或键空间不命中（miss）次数，这两个值可以在INFO stats命令的keyspace_hits属性和keyspace_misses属性中查看。
2、在读取一个键之后，服务器会更新键的LRU（最后一次使用）时间，这个值可以用于计算键的闲置时间，使用OBJECT idletime <key> 命令可以查看键key的闲置时间。
3、如果服务器在读取一个键时发现该键已经过期，那么服务器会先删除这个过期键，然后才执行余下的其他操作。

二、设置键的生存时间或过期时间

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某个键设置生存时间（Time To Live,TTL）,在经过指定的秒数或者毫秒数之后，服务器就会自动删除生存时间为0的键。
客户端也可以通过EXPIREAT命令或PEXPIREAT命令，以秒或者毫秒精度给数据库中的某个键设置过期时间（expire time），过期时间是一个UNIX时间戳，当键的过期时间来临时，服务器就自动删除。
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，返回这个键的剩余生存时间。

2.1 设置过期时间

Redis有四个不同的命令可以用于设置键的生存时间（键可以存多久）或过期时间：

EXPIRE <key> <ttl> 命令用于将键key的生存时间设置ttl秒。

PEXPIRE <key> <ttl>命令用于将键key的生存时间设置ttl毫秒。

EXPIREAT <key> <timestamp> 命令用于将键key的过期时间设置为timesamp所指定的秒数时间戳。

PEXPIREAT <key> <timestamp> 命令用于将键key的过期时间设置为timesamp所指定的毫秒数时间戳。以上所有命令最后都会被转换PEXPIREAT命令来实现。（有点多态的意思）

设置生存时间和设置过期时间的命令之间的转换

2.2 保存过期时间

redisDb结构的expires字典保存了数据库中所有键的过期时间，我们称这个字典为过期字典：

过期字典的键是一个指针，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键的过期时间————一个毫秒精度的UNIX时间戳。

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

以下是PEXPIREAT命令的伪代码定义：

def PERPIREAT(key, expire_time_in_ms):
    # 如果给定的键不存在于键空间，那么不能设置过期时间
    if key not in redisDb.dict
        return 0
    # 在过期字典中关联键和过期时间
    redisDb.expires[key] = expire_time_in_ms
    # 过期时间设置成功
        return 1

2.3 移除过期时间

PERSIST命令可以移除一个键的过期时间。

以下是PERSIST命令的伪代码定义

def PERSIST(key):
    # 如果给定的键不存在，或者键没有设置过期时间，那么直接返回
    if key not in redisDb.expires:
        return 0
    # 移除过期字典中给定键的键值对关联
    redisDb.expires.remove(key)
    # 过期时间移除成功
        return 1

2.4 计算并返回剩余生存时间

TTL命令以秒为单位返回键的剩余生存时间，而PTTL命令则以毫秒为单位返回键的剩余生存时间。而这两者都是通过计算键的过期时间和当前时间之间的差来实现的，以下是两个命令的伪代码实现：

def PTTL(key):
    # 键不存在于数据库
    if key not in redisDb.dict:
        return -2
    # 尝试取得键的过期时间
    # 如果键没有设置过期时间，那么expire_time_in_ms 将为None
    expire_time_in_ms = redisDb.expires.get(key)
    
    # 键没有设置过期时间
    if expire_time_in_ms is None:
        return -1
    # 获得当前时间
    now_ms = get_current_unix_timestamp_in_ms()
    # 过期时间减去当前时间，得出的差就是键的剩余生存时间
    return (expire_time_in_ms - now_ms)
    
def TTL(key):
    # 获取以毫秒为单位的剩余生存时间
    ttl_in_ms = PTTL(key)
    if ttl_in_ms < 0
        # 处理返回值为-2 和 -1的情况
        return ttl_in_ms
    else:
        # 将毫秒转换为秒
        return ms_to_sec(ttl_in_ms)

2.5 过期键的判定

通过过期字典，程序可以用以下步骤检查一个给定键是否过期：

检查给定键是否存在于过期字典，如果存在，那么取得键的过期时间。

检查当前UNIX时间戳是否大于键的过期时间：如果是的话，那么键已经过期；否则的话，键未过期。

三、过期键删除策略

一个键过期了，它什么时候会被删除呢？

这个问题有三种可能的答案，它们分别代表了三种不同的删除策略：

定时删除：在设置键的过期时间的同时，创建一个定时器（timer），让定时器在键的过期时间来临时，立即执行对键的删除操作。

惰性删除：放任键过期不管，但是每次从键空间中获取键时，都检查取得的键是否过期，如果过期的话，就删除该键；如果没有过期，就返回该键。

定期删除：每隔一段时间，程序就对数据库进行一次检查，删除里面的过期键。至于删除多少过期键，以及要检查多少个数据库，则由算法决定。

跟我一起来学习Redis中的数据库（下）