December 26, 2023

Redis-源码解析：数据库redisDb实现

服务器中的数据库

Redis 服务器将绝大部分的信息都保存在 server.h/redisServer。redis 的数据是保存在 redisServer 中的 redisDb 结构中。

 struct redisServer {
     // ...
     redisDb *db; // 数据库列表
     // ...
     int dbnum;   // 数据库数量
     // ...
 }

db 中每个redisDb结构代表一个数据库。
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。
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。

redisServer数据结构

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 server.h/redisDb 结构表示. 其中，redisDb 的 dict 字典属性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）：

 /* Redis database representation. There are multiple databases identified
  * by integers from 0 (the default database) up to the max configured
  * database. The database number is the 'id' field in the structure. */
 //Redis数据库结构，通过ID来识别多个数据库
 typedef struct redisDb {
     // 当前数据口的所有键值对空间
     dict *dict;                 /* The keyspace for this DB */
     // 存放已设置exptime的key的集合
     dict *expires;              /* Timeout of keys with a timeout set */
     ....
     ....
     // 数据库id
     int id;                     /* Database ID */
     // 数据库的平均TTL
     long long avg_ttl;          /* Average TTL, just for stats */
     unsigned long expires_cursor; /* Cursor of the active expire cycle. */
     list *defrag_later;         /* List of key names to attempt to defrag one by one, gradually. */
     clusterSlotToKeyMapping *slots_to_keys; /* Array of slots to keys. Only used in cluster mode (db 0). */
 } redisDb;

dict 中的数据跟我们平常操作的键值对是一一对应的：

dict 的 key 就是数据库中的 key，字符串类型
dict 的值就是数据库中的值，这个值可以是 string、hash、zset、set、list 中的任何一种

示例

如果我们在数据库中，执行以下命令：

 redis > SET str_key str_value
 OK
 redis > RPUSH list_key a b c
 (integer) 3

新添加的两个 key 的结构如下图所示：

redisDB数据结构

从上面的示例图可以很清晰地知道 Redis 数据是如何组织的，增删改查也就是对 dict 的操作而已

Key 的过期时间

1. 数据结构

redisDb 中的 expires 属性保存了存放已设置exptime的key的集合的过期时间，我们姑且就称它为过期字典吧。

过期字典中的键，是一个指针，指向了真实数据的 key，不会浪费空间多保存一次
过期字典中的值，存的是具体的过期时间点，精确到毫秒的时间戳

 /* Redis database representation. There are multiple databases identified
  * by integers from 0 (the default database) up to the max configured
  * database. The database number is the 'id' field in the structure. */
 //Redis数据库结构，通过ID来识别多个数据库
 typedef struct redisDb {
     // 当前数据口的所有键值对空间
     dict *dict;                 /* The keyspace for this DB */
     // 存放已设置exptime的key的集合
     dict *expires;              /* Timeout of keys with a timeout set */
     ....
     ....
     // 数据库id
     int id;                     /* Database ID */
     // 数据库的平均TTL
     long long avg_ttl;          /* Average TTL, just for stats */
     unsigned long expires_cursor; /* Cursor of the active expire cycle. */
     list *defrag_later;         /* List of key names to attempt to defrag one by one, gradually. */
     clusterSlotToKeyMapping *slots_to_keys; /* Array of slots to keys. Only used in cluster mode (db 0). */
 } redisDb;

命令TTL、PTTL 都是去查这个过期字典的过期时间，然后减去当前时间，得到的就是剩余的时间啦。

那么expires中entry的key和value代表什么？

key：某个键对象
value：long long类型的整数，表示key的过期时间

redisDB的key过期时间

2. 过期 key 的删除策略

一个 key 过期时间到了之后，是如何进行删除的呢？Redis 使用了一下两种策略：惰性删除、定期删除

惰性删除

惰性删除策略指的是：key 在过期之后，没有立即删除，而是在读写 key 的时候，才对过期的 key 进行删除。代码实现在 db.c/expireIfNeeded 方法中。所有 key 的读写之前，都会先调用 expireIfNeeded 对 key 进行检查，如果已过期，则删除。

 int expireIfNeeded(redisDb *db, robj *key, int flags) {
     if (server.lazy_expire_disabled) return 0;
     //看key是否过期了
     if (!keyIsExpired(db,key)) return 0;
     ...
     deleteExpiredKeyAndPropagate(db,key);
     ...
     return 1;
 }
 
 int keyIsExpired(redisDb *db, robj *key) {
     /* Don't expire anything while loading. It will be done later. */
     if (server.loading) return 0;
     
     //获取key对应的过期时间，存储的是时间戳
     mstime_t when = getExpire(db,key);
     mstime_t now;
 
     if (when < 0) return 0; /* No expire for this key */
 
     //获取系统的当前时间，时间戳，是毫秒级的long类型数据
     now = commandTimeSnapshot();
 
     /* The key expired if the current (virtual or real) time is greater
      * than the expire time of the key. */
     //如果过了过期时间点
     return now > when;
 }

定期删除

定期删除策略指的是：Redis 每隔一段时间，随机从数据库中取出一定量的 key 进行检查，如果已过期，则进行删除。代码实现在 expire.c/activeExpireCycle 方法中。

删除的步骤：

从过期字典中随机 20 个 key
删除这 20 个 key 中已经过期的 key
如果过期的 key 比率超过 1/4，那就重复步骤 1

为什么只是随机挑一些 key 呢？因为如果把所有 key 都遍历一遍，那这个性能肯定是不能接受的！

总结

redis中所有key都存储在redisDB的dict字典中，增删改查也就是对 dict 的操作而已，而对于设置了expire过期时间的key来说，在expire字段(字典类型)中也存储了该字段，value是过期时间(时间戳类型)。

过期key的删除时惰性删除结合定期删除，在操作redis key时，会先判断该key是否已过期，如果过期了则进行删除。

参考：

1.https://www.wzl.fyi/2023/07/29/1008/

2.https://www.cnblogs.com/chenchuxin/p/14187898.html