Redis-单机数据库-数据库键空间

数据库的切换

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。

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。

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。

在服务器内部，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，这个属性是一个指向redisDb结构的指针。通过修改redisClient.db指针，让它指向服务器中的不同数据库，从而实现切换目标数据库的功能——这就是SELECT命令的实现原理。

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）。

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在内的任意一种 Redis 对象。

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，其中包括：

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。
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命令可以查看键key的闲置时间。
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。
如果有客户端使用WATCH命令监视了某个键，那么服务器在对被监视的键进行修改之后，会将这个键标记为脏（dirty），从而让事务程序注意到这个键已经被修改过。
服务器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。
如果服务器开启了数据库通知功能，那么在对键进行修改之后，服务器将按配置发送相应的数据库通知。

键的过期时间

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。过期字典的值是一个long long类型的整数，这个整数保存了键的过期时间，即一个毫秒精度的UNIX时间戳。

设置过期时间：

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）

SETEX命令可以在设置一个字符串键的同时为键设置过期时间，这个命令只能用于字符串键，但SETEX命令设置过期时间的原理和EXPIRE命令是完全一样的。

客户端可以通过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UNIX时间戳。

本质上都是由PEXPIREAT命令实现的。

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。

移除过期时间：

PERSIST命令可以移除过期时间，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。

过期键的删除策略

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。

定时删除对内存友好，惰性删除对CPU友好，定期删除是前两者的折中。

过期键的删除策略的实现：

惰性删除策略由db.c/expireIfNeeded函数实现，所有读写数据库的Redis命令在执行之前都会调用expireIfNeeded函数对输入键进行检查。

定期删除策略由redis.c/activeExpireCycle函数实现，每当Redis的服务器周期性操作redis.c/serverCron函数执行时，activeExpireCycle函数就会被调用，它在规定的时间内，分多次遍历服务器中的各个数据库，从数据库的expires字典中随机检查一部分键的过期时间，并删除其中的过期键。

RDB、AOF和复制功能对过期键的处理

生成RDB：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。

载入RDB：

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。

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。

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。

这一类关注“某个键执行了什么命令”的通知称为键空间通知（key-space notification），除此之外，还有另一类称为键事件通知（key-event notification）的通知，它们关注的是“某个命令被什么键执行了”。

发送数据库通知的功能是由notify.c/notifyKeyspaceEvent函数实现的：

void notifyKeyspaceEvent(int type,char *event,robj *key,int dbid);

函数的type参数是当前想要发送的通知的类型，程序会根据这个值来判断通知是否就是服务器配置notify-keyspace-events选项所选定的通知类型，从而决定是否发送通知。event、keys和dbid分别是事件的名称、产生事件的键，以及产生事件的数据库号码，函数会根据type参数以及这三个参数来构建事件通知的内容，以及接收通知的频道名。

每当一个Redis命令需要发送数据库通知的时候，该命令的实现函数就会调用notifyKeyspaceEvent函数，并向函数传递传递该命令所引发的事件的相关信息。