Redis之单机数据库的实现

单机数据库的实现

原理

Redis服务器将所有数据库保存在服务器状态redis.h/redisServer结构的db数组中，db数组的每个项都是一个RedisDb结构，每个redisDb结构代表一个数据库。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。

切换数据库

默认情况下，Redis客户端的目标数据库为0号数据库，但客户端可以通过执行SELECT命令来切换目标数据库。

键空间

每个数据库都由一个redis.h/redisDb结构表示，redisDb结构的dict字典保存了数据库中的所有键值对，将这个字典称为键空间。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。比如读取一个键之后，服务器会更新键的最后一次使用时间，这个值可以用于计算键的闲置时间，使用OBJECT idletime命令可以查看键key的闲置时间。

设置键的生存时间或过期时间 EXPIRE/PEXPIRE key time

Redis的过期键删除策略：惰性删除和定期删除。

惰性删除：所有读写数据库的命令——调用expireIfNeeded函数——判断输入键是否已经过期——是，删除键

定期删除：周期性调用activeExpireCycle函数，函数每次运行时，都从一定数量的数据库中取出一定数量的随机键进行检查，并删除其中的过期键。全局变量current_db会记录当前的进度，下次开始时调用上一次进度进行处理。

数据库通知

数据库通知是Redis2.8版本新增加的功能，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。

例如：SUBSCRIBE_keyspace@0_ _:message

RDB持久化

因为Redis是内存数据库，它将自己的数据库状态储存在内存里面，Redis提供了RDB持久化功能，这个功能可以将Redis

在内存中的数据库状态保存到磁盘里面，避免数据意外丢失。RDB持久化既可以手动执行，也可以根据服务器配置选项定期执行，该功能可以讲某个时间点上的数据库状态保存到一个RDB文件中。RDB持久化功能所生成的RDB文件是一个经过压缩的二进制文件，通过该文件可以还原生成RDB文件时的数据库状态。因为RDB文件时保存在硬盘里面的，所以即使Redis服务器进程退出，甚至运行Redis服务器的计算机停机，只要RDB文件仍然存在，Redis服务器就可以用它来还原数据库状态。

RDB文件的创建与载入

SAVE和BGSAVE都可以用于生成RDB文件，SAVE命令会阻塞Redis服务器进程，直到RDB文件创建完毕为止，在服务器进程阻塞期间，服务器不能处理任何命令请求。

BGSAVE命令会派生出一个子进程，然后由子进程复杂创建RDB文件，服务器进程继续处理命令请求。

对于不同类型的键值对，RDB文件会使用不同的方式来保存。

AOF持久化

除了RDB持久化功能外，Redis还提供了AOF持久化功能。与RDB持久化通过保存数据库中键值对来记录数据库状态不同，AOF持久化是通过保存Redis服务器所执行的写命令来记录数据库状态。

因为AOF文件的更新频率通常比RDB文件的更新频率高，故

如果服务器开启了AOF持久化功能，那么服务器就会优先使用AOF文件来还原数据库状态；

只有在AOF持久化功能处于关闭状态时，服务器才会使用RDB文件来还原数据库状态。

redis > SET msg“hello”

redis > SADDfruits “apple” “banana”

redis > RPUSHnumbers 128 122 444

RDB持久化保存数据库状态的方法是将msg、fruits、numbers三个键的键值对保存到RDB文件中，而AOF持久化保存数据库状态的方法则是将服务器执行的SET、SADD、RPUSH三个命令保存到AOF文件中。

为提高文件的写入效率，在现在操作系统中，当用户调用write函数，将一些数据写入到文件的时候，操作系统通常会将写入数据暂时保存在一个内存缓冲区里面，等到缓冲区的空间被填满、或者超过指定时限后，才真正地将缓冲区中的数据写入到磁盘里面。

这种做法虽然提高了效率，但也为写入数据带来了安全问题，因为如果计算机停机，那么保存在内存缓冲区里面的写入数据将会丢失。

为此，系统提供了fsync和fdatasync两个同步函数，它们可以强制让操作系统立即将缓冲区中的数据写入到硬盘里面，从而确保写入数据的安全性。

服务器配置appendfsync选项的值直接决定AOF持久化功能的效率和安全性。

appendfsync的值为always时，服务器在每个事件循环都要将aof_buf缓存区中所有内容写入到AOF文件，并且同步AOF文件，效率最慢，但是最安全的。即使出现故障停机，AOF持久化也只会丢失一个事件循环中所产生的命令数据。

everysec: 服务器在每个事件循环都要将aof_buf缓存区中所有内容写入到AOF文件，并且每隔一秒就要在子线程中对AOF文件进行一次同步。效率快，就算出现故障，数据库也只丢失一秒种的命令数据。

no: 处于no模式下的flushAppendOnlyFile调用无须执行同步操作，所以该模式下的AOF文件写入速度总是最快的。不过因为这种模式会在系统缓存中积累一段时间的写入数据，所以该模式的单次同步时长通常是三种中最长的。