探索Redis设计与实现9：数据库redisDb与键过期删除策略

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该系列博文会告诉你如何从入门到进阶，Redis基本的使用方法，Redis的基本数据结构，以及一些进阶的使用方法，同时也需要进一步了解Redis的底层数据结构，再接着，还会带来Redis主从复制、集群、分布式锁等方面的相关内容，以及作为缓存的一些使用方法和注意事项，以便让你更完整地了解整个Redis相关的技术体系，形成自己的知识框架。

如果对本系列文章有什么建议，或者是有什么疑问的话，也可以关注公众号【Java技术江湖】联系作者，欢迎你参与本系列博文的创作和修订。

一. 数据库 Redis的数据库使用字典作为底层实现，数据库的增、删、查、改都是构建在字典的操作之上的。 redis服务器将所有数据库都保存在服务器状态结构redisServer(redis.h/redisServer)的db数组（应该是一个链表）里：

struct redisServer {
//..
// 数据库数组，保存着服务器中所有的数据库
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：

struct redisServer {
// ..
//服务器中数据库的数量
int dbnum;
//..
}
dbnum属性的值是由服务器配置的database选项决定的，默认值为16；

二、切换数据库原理 每个Redis客户端都有自己的目标数据库，每当客户端执行数据库的读写命令时，目标数据库就会成为这些命令的操作对象。

127.0.0.1:6379> set msg 'Hello world'
OK
127.0.0.1:6379> get msg
"Hello world"
127.0.0.1:6379> select 2
OK
127.0.0.1:6379[2]> get msg
(nil)
127.0.0.1:6379[2]>
在服务器内部，客户端状态redisClient结构(redis.h/redisClient)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(redis.h/redisDb)的指针：

typedef struct redisClient {
//..
// 客户端当前正在使用的数据库
redisDb *db;
//..
} redisClient;
redisClient.db指针指向redisServer.db数组中的一个元素，而被指向的元素就是当前客户端的目标数据库。 我们就可以通过修改redisClient指针，让他指向服务器中的不同数据库，从而实现切换数据库的功能–这就是select命令的实现原理。 实现代码：

int selectDb(redisClient *c, int id) {
// 确保 id 在正确范围内
if (id < 0 || id >= server.dbnum)
return REDIS_ERR;
// 切换数据库（更新指针）
c->db = &server.db[id];
return REDIS_OK;
}
三、数据库的键空间 1、数据库的结构（我们只分析键空间和键过期时间） typedef struct redisDb { // 数据库键空间，保存着数据库中的所有键值对 dict dict; / The keyspace for this DB */ // 键的过期时间，字典的键为键，字典的值为过期事件 UNIX 时间戳 dict expires; / Timeout of keys with a timeout set / // 数据库号码 int id; / Database ID / // 数据库的键的平均 TTL ，统计信息 long long avg_ttl; / Average TTL, just for stats */ //.. } redisDb

上图是一个RedisDb的示例，该数据库存放有五个键值对，分别是sRedis，INums，hBooks，SortNum和sNums，它们各自都有自己的值对象，另外，其中有三个键设置了过期时间，当前数据库是服务器的第0号数据库。现在，我们就从源码角度分析这个数据库结构： 我们知道，Redis是一个键值对数据库服务器，服务器中的每一个数据库都是一个redis.h/redisDb结构，其中，结构中的dict字典保存了数据库中所有的键值对，我们就将这个字典成为键空间。 Redis数据库的数据都是以键值对的形式存在，其充分利用了字典高效索引的特点。 a、键空间的键就是数据库中的键，一般都是字符串对象； b、键空间的值就是数据库中的值，可以是5种类型对象（字符串、列表、哈希、集合和有序集合）之一。 数据库的键空间结构分析完了，我们先看看数据库的初始化。

2、键空间的初始化 在redis.c中，我们可以找到键空间的初始化操作：

//创建并初始化数据库结构
for (j = 0; j < server.dbnum; j++) {
// 创建每个数据库的键空间
server.db[j].dict = dictCreate(&dbDictType,NULL);
// ...
// 设定当前数据库的编号
server.db[j].id = j;
}
初始化之后就是对键空间的操作了。

3、键空间的操作 我先把一些常见的键空间操作函数列出来：

// 从数据库中取出键key的值对象，若不存在就返回NULL
robj *lookupKey(redisDb *db, robj *key);

/* 先删除过期键，以读操作的方式从数据库中取出指定键对应的值对象

• 并根据是否成功找到值，更新服务器的命中或不命中信息,
• 如不存在则返回NULL，底层调用lookupKey函数 */
  robj *lookupKeyRead(redisDb *db, robj *key);

/* 先删除过期键，以写操作的方式从数据库中取出指定键对应的值对象

• 如不存在则返回NULL，底层调用lookupKey函数，
• 不会更新服务器的命中或不命中信息
  */
  robj *lookupKeyWrite(redisDb *db, robj *key);

/* 先删除过期键，以读操作的方式从数据库中取出指定键对应的值对象

• 如不存在则返回NULL，底层调用lookupKeyRead函数
• 此操作需要向客户端回复
  */
  robj *lookupKeyReadOrReply(redisClient *c, robj *key, robj *reply);

/* 先删除过期键，以写操作的方式从数据库中取出指定键对应的值对象

• 如不存在则返回NULL，底层调用lookupKeyWrite函数
• 此操作需要向客户端回复
  */
  robj *lookupKeyWriteOrReply(redisClient *c, robj *key, robj *reply);

/* 添加元素到指定数据库 */
void dbAdd(redisDb *db, robj *key, robj val);
/ 重写指定键的值 */
void dbOverwrite(redisDb *db, robj *key, robj val);
/ 设定指定键的值 */
void setKey(redisDb *db, robj *key, robj val);
/ 判断指定键是否存在 */
int dbExists(redisDb *db, robj key);
/ 随机返回数据库中的键 */
robj *dbRandomKey(redisDb db);
/ 删除指定键 */
int dbDelete(redisDb *db, robj key);
/ 清空所有数据库，返回键值对的个数 /
long long emptyDb(void(callback)(void));
下面我选取几个比较典型的操作函数分析一下：

查找键值对函数–lookupKey robj *lookupKey(redisDb *db, robj *key) { // 查找键空间 dictEntry *de = dictFind(db->dict,key->ptr); // 节点存在 if (de) { // 取出该键对应的值 robj *val = dictGetVal(de); // 更新时间信息 if (server.rdb_child_pid == -1 && server.aof_child_pid == -1) val->lru = LRU_CLOCK(); // 返回值 return val; } else { // 节点不存在 return NULL; } }

添加键值对–dbAdd 添加键值对使我们经常使用到的函数，底层由dbAdd()函数实现，传入的参数是待添加的数据库，键对象和值对象，源码如下：

void dbAdd(redisDb *db, robj *key, robj *val) { // 复制键名 sds copy = sdsdup(key->ptr); // 尝试添加键值对 int retval = dictAdd(db->dict, copy, val); // 如果键已经存在，那么停止 redisAssertWithInfo(NULL,key,retval == REDIS_OK); // 如果开启了集群模式，那么将键保存到槽里面 if (server.cluster_enabled) slotToKeyAdd(key); }

好了，关于键空间操作函数就分析到这，其他函数(在文件db.c中)大家可以自己去分析，有问题的话可以回帖，我们可以一起讨论！

四、数据库的过期键操作 在前面我们说到，redisDb结构中有一个expires指针（概况图可以看上图），该指针指向一个字典结构，字典中保存了所有键的过期时间，该字典称为过期字典。 过期字典的初始化：

// 创建并初始化数据库结构 for (j = 0; j < server.dbnum; j++) { // 创建每个数据库的过期时间字典 server.db[j].expires = dictCreate(&keyptrDictType,NULL); // 设定当前数据库的编号 server.db[j].id = j; // .. }

a、过期字典的键是一个指针，指向键空间中的某一个键对象（就是某一个数据库键）； b、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时间戳–一个毫秒精度的unix时间戳。 下面我们就来分析过期键的处理函数：

1、过期键处理函数 设置键的过期时间–setExpire() /*

将键 key 的过期时间设为 when */ void setExpire(redisDb *db, robj *key, long long when) { dictEntry *kde, *de; // 从键空间中取出键key kde = dictFind(db->dict,key->ptr); // 如果键空间找不到该键，报错 redisAssertWithInfo(NULL,key,kde != NULL); // 向过期字典中添加该键 de = dictReplaceRaw(db->expires,dictGetKey(kde)); // 设置键的过期时间 // 这里是直接使用整数值来保存过期时间，不是用 INT 编码的 String 对象 dictSetSignedIntegerVal(de,when); }
获取键的过期时间–getExpire() long long getExpire(redisDb *db, robj *key) { dictEntry *de; // 如果过期键不存在，那么直接返回 if (dictSize(db->expires) == 0 || (de = dictFind(db->expires,key->ptr)) == NULL) return -1; redisAssertWithInfo(NULL,key,dictFind(db->dict,key->ptr) != NULL); // 返回过期时间 return dictGetSignedIntegerVal(de); }

删除键的过期时间–removeExpire() // 移除键 key 的过期时间 int removeExpire(redisDb *db, robj *key) { // 确保键带有过期时间 redisAssertWithInfo(NULL,key,dictFind(db->dict,key->ptr) != NULL); // 删除过期时间 return dictDelete(db->expires,key->ptr) == DICT_OK; }

2、过期键删除策略 通过前面的介绍，大家应该都知道数据库键的过期时间都保存在过期字典里，那假如一个键过期了，那么这个过期键是什么时候被删除的呢？现在来看看redis的过期键的删除策略： a、定时删除：在设置键的过期时间的同时，创建一个定时器，在定时结束的时候，将该键删除； b、惰性删除：放任键过期不管，在访问该键的时候，判断该键的过期时间是否已经到了，如果过期时间已经到了，就执行删除操作； c、定期删除：每隔一段时间，对数据库中的键进行一次遍历，删除过期的键。 其中定时删除可以及时删除数据库中的过期键，并释放过期键所占用的内存，但是它为每一个设置了过期时间的键都开了一个定时器，使的cpu的负载变高，会对服务器的响应时间和吞吐量造成影响。 惰性删除有效的克服了定时删除对CPU的影响，但是，如果一个过期键很长时间没有被访问到，且若存在大量这种过期键时，势必会占用很大的内存空间，导致内存消耗过大。 定时删除可以算是上述两种策略的折中。设定一个定时器，每隔一段时间遍历数据库，删除其中的过期键，有效的缓解了定时删除对CPU的占用以及惰性删除对内存的占用。 在实际应用中，Redis采用了惰性删除和定时删除两种策略来对过期键进行处理，上面提到的lookupKeyWrite等函数中就利用到了惰性删除策略，定时删除策略则是在根据服务器的例行处理程序serverCron来执行删除操作，该程序每100ms调用一次。

惰性删除函数–expireIfNeeded() 源码如下：

/* 检查key是否已经过期，如果是的话，将它从数据库中删除

并将删除命令写入AOF文件以及附属节点(主从复制和AOF持久化相关)
返回0代表该键还没有过期，或者没有设置过期时间
返回1代表该键因为过期而被删除 */ int expireIfNeeded(redisDb *db, robj *key) { // 获取该键的过期时间 mstime_t when = getExpire(db,key); mstime_t now; // 该键没有设定过期时间 if (when < 0) return 0; // 服务器正在加载数据的时候，不要处理 if (server.loading) return 0; // lua脚本相关 now = server.lua_caller ? server.lua_time_start : mstime(); // 主从复制相关，附属节点不主动删除key if (server.masterhost != NULL) return now > when; // 该键还没有过期 if (now <= when) return 0; // 删除过期键 server.stat_expiredkeys++; // 将删除命令传播到AOF文件和附属节点 propagateExpire(db,key); // 发送键空间操作时间通知 notifyKeyspaceEvent(NOTIFY_EXPIRED, "expired",key,db->id); // 将该键从数据库中删除 return dbDelete(db,key); }
定期删除策略 过期键的定期删除策略由redis.c/activeExpireCycle()函数实现，服务器周期性地操作redis.c/serverCron()（每隔100ms执行一次）时，会调用activeExpireCycle()函数，分多次遍历服务器中的各个数据库，从数据库中的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。 删除过期键的操作由activeExpireCycleTryExpire函数(activeExpireCycle()调用了该函数)执行，其源码如下：

/* 检查键的过期时间，如过期直接删除*/ int activeExpireCycleTryExpire(redisDb *db, dictEntry *de, long long now) { // 获取过期时间 long long t = dictGetSignedIntegerVal(de); if (now > t) { // 执行到此说明过期 // 创建该键的副本 sds key = dictGetKey(de); robj *keyobj = createStringObject(key,sdslen(key)); // 将删除命令传播到AOF和附属节点 propagateExpire(db,keyobj); // 在数据库中删除该键 dbDelete(db,keyobj); // 发送事件通知 notifyKeyspaceEvent(NOTIFY_EXPIRED, "expired",keyobj,db->id); // 临时键对象的引用计数减1 decrRefCount(keyobj); // 服务器的过期键计数加1 // 该参数影响每次处理的数据库个数 server.stat_expiredkeys++; return 1; } else { return 0; } }

删除过期键对AOF、RDB和主从复制都有影响，等到了介绍相关功能时再讨论。 今天就先到这里~