redis数据库

Ltheta
120 阅读11分钟

redis数据库

内容摘自《Redis设计与实现》

服务器中的数据库

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数组的每个项都是一个redis.h/redisDb结构，每个redisDb结构代表一个数据库：

struct redisServer{
 //...
 //一个数组，保存着服务器中的所有数据库
 redisDb *db;
 //在初始化服务器时，程序会根据服务器状态的dbnum属性来决定应该创建多少个数据库：
 int dbnum；
 //...
}

dbnum属性的值由服务器配置的database选项决定，默认情况下，该选项的值为16，所以Redis服务器默认会创建16个数据库

数据库键空间

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;
 //...
}

键空间和用户所见的数据库是直接对应的：

​ ❑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。

​ ❑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。

因为数据库的键空间是一个字典，所以所有针对数据库的操作，比如添加一个键值对到数据库，或者从数据库中删除一个键值对，又或者在数据库中获取某个键值对等，实际上都是通过对键空间字典进行操作来实现的

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：

  • 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（键可以存在多久）或过期时间（键什么时候会被删除）

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

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

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

  • 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，这个指针指向键空间中的某个键对象（也即是某个数据库键）。

    ❑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，保存着键的国企时间
 dict *expires;
 //...
}redisDb;
  • PERSIST移除过期时间

PERSIST命令可以移除一个键的过期时间：

PERSIST命令就是PEXPIREAT命令的反操作：PERSIST命令在过期字典中查找给定的键，并解除键和值（过期时间）在过期字典中的关联。

  • 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：

过期键删除策略

我们知道了数据库键的过期时间都保存在过期字典中，又知道了如何根据过期时间去判断一个键是否过期，现在剩下的问题是：如果一个键过期了，那么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。至于要删除多少过期键，以及要检查多少个数据库，则由算法决定。

定时删除

定时删除策略对内存是最友好的：通过使用定时器，定时删除策略可以保证过期键会尽可能快地被删除，并释放过期键所占用的内存。

另一方面，定时删除策略的缺点是，它对CPU时间是最不友好的：在过期键比较多的情况下，删除过期键这一行为可能会占用相当一部分CPU时间，在内存不紧张但是CPU时间非常紧张的情况下，将CPU时间用在删除和当前任务无关的过期键上，无疑会对服务器的响应时间和吞吐量造成影响。

例如，如果正有大量的命令请求在等待服务器处理，并且服务器当前不缺少内存，那么服务器应该优先将CPU时间用在处理客户端的命令请求上面，而不是用在删除过期键上面。

除此之外，创建一个定时器需要用到Redis服务器中的时间事件，而当前时间事件的实现方式——无序链表，查找一个事件的时间复杂度为O（N）——并不能高效地处理大量时间事件。

因此，要让服务器创建大量的定时器，从而实现定时删除策略，在现阶段来说并不现实。

惰性删除

惰性删除策略对CPU时间来说是最友好的：程序只会在取出键时才对键进行过期检查，这可以保证删除过期键的操作只会在非做不可的情况下进行，并且删除的目标仅限于当前处理的键，这个策略不会在删除其他无关的过期键上花费任何CPU时间。

惰性删除策略的缺点是，它对内存是最不友好的：如果一个键已经过期，而这个键又仍然保留在数据库中，那么只要这个过期键不被删除，它所占用的内存就不会释放。

在使用惰性删除策略时，如果数据库中有非常多的过期键，而这些过期键又恰好没有被访问到的话，那么它们也许永远也不会被删除（除非用户手动执行FLUSHDB），我们甚至可以将这种情况看作是一种内存泄漏——无用的垃圾数据占用了大量的内存，而服务器却不会自己去释放它们，这对于运行状态非常依赖于内存的Redis服务器来说，肯定不是一个好消息。

举个例子，对于一些和时间有关的数据，比如日志（log），在某个时间点之后，对它们的访问就会大大减少，甚至不再访问，如果这类过期数据大量地积压在数据库中，用户以为服务器已经自动将它们删除了，但实际上这些键仍然存在，而且键所占用的内存也没有释放，那么造成的后果肯定是非常严重的。

定期删除

从上面对定时删除和惰性删除的讨论来看，这两种删除方式在单一使用时都有明显的缺陷：

​ ❑定时删除占用太多CPU时间，影响服务器的响应时间和吞吐量。

​ ❑惰性删除浪费太多内存，有内存泄漏的危险。

定期删除策略是前两种策略的一种整合和折中：

​ ❑定期删除策略每隔一段时间执行一次删除过期键操作，并通过限制删除操作执行的时长和频率来减少删除操作对CPU时间的影响。

​ ❑除此之外，通过定期删除过期键，定期删除策略有效地减少了因为过期键而带来的内存浪费。

定期删除策略的难点是确定删除操作执行的时长和频率：

​ ❑如果删除操作执行得太频繁，或者执行的时间太长，定期删除策略就会退化成定时删除策略，以至于将CPU时间过多地消耗在删除过期键上面。

​ ❑如果删除操作执行得太少，或者执行的时间太短，定期删除策略又会和惰性删除策略一样，出现浪费内存的情况。

因此，如果采用定期删除策略的话，服务器必须根据情况，合理地设置删除操作的执行时长和执行频率。

AOF、RDB和复制功能对过期键的处理

生成RDB文件

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，已过期的键不会被保存到新创建的RDB文件中。因此，数据库中包含过期键不会对生成新的RDB文件造成影响。

载入RDB文件

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，那么在载入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，而过期键则会被忽略，所以过期键对载入RDB文件的主服务器不会造成影响。

​ ❑如果服务器以从服务器模式运行，那么在载入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。不过，因为主从服务器在进行数据同步的时候，从服务器的数据库就会被清空，所以一般来讲，过期键对载入RDB文件的从服务器也不会造成影响。

AOF文件写入

当服务器以AOF持久化模式运行时，如果数据库中的某个键已经过期，但它还没有被惰性删除或者定期删除，那么AOF文件不会因为这个过期键而产生任何影响。

当过期键被惰性删除或者定期删除之后，程序会向AOF文件追加（append）一条DEL命令，来显式地记录该键已被删除。

举个例子，如果客户端使用GET message命令，试图访问过期的message键，那么服务器将执行以下三个动作：

​ 1）从数据库中删除message键。

​ 2）追加一条DEL message命令到AOF文件。

​ 3）向执行GET命令的客户端返回空回复。

AOF重写

和生成RDB文件时类似，在执行AOF重写的过程中，程序会对数据库中的键进行检查，已过期的键不会被保存到重写后的AOF文件中。

举个例子，如果数据库中包含三个键k1、k2、k3，并且k2已经过期，那么在进行重写工作时，程序只会对k1和k3进行重写，而k2则会被忽略。因此，数据库中包含过期键不会对AOF重写造成影响。

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键之后，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的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。

通过由主服务器来控制从服务器统一地删除过期键，可以保证主从服务器数据的一致性，也正是因为这个原因，当一个过期键仍然存在于主服务器的数据库时，这个过期键在从服务器里的复制品也会继续存在。

数据库通知

数据库通知是Redis 2.8版本新增加的功能，这个功能可以让客户端通过订阅给定的频道或者模式，来获知数据库中键的变化，以及数据库中命令的执行情况。

关注“某个键执行了什么命令”的通知称为键空间通知（key-spacenotification），除此之外，还有另一类称为键事件通知（key-eventnotification）的通知，它们关注的是“某个命令被什么键执行了”。

avatar
文章
阅读
粉丝