1.数据库结构

Redis服务器将所有数据都保存在服务器状态redis.h/redisServer结构的db数组中，db数组的每个元素都是一个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，默认为16。

struct redisServer{
    // 一个数组，保存着服务器中的
    redisDb *db;
    // 服务器的数据库数量
    int dbnum; 
};

2.切换数据库

每个Redis客户端都有自己的目标数据库，默认情况下，Redis客户端的目标数据库为0号数据库，客户端可以通过执行SELECT命令来切换目标数据库，如下命令切换目标数据库为1号数据库。

SELECT 1

客户端状态redisClient结构的db属性，指向了客户端当前的目标数据库的redisDb结构，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，就是SELECT命令的实现原理。redisClient的结构如下：

typedef struct redisClient{
    // 记录客户端当前正在使用的数据库
    redisDb *db;
}redisClient；

Redis目前没有可以返回客户端目标数据库序号的命令，虽然redis-cli客户端会在输入符旁边提示当前所使用的目标数据库，但在其他语言的客户端中执行Redis命令时，很可能会忘记自己当前正在使用的是哪个数据库。为了避免对数据库进行误操作，在执行Redis命令之前，最好使用SELECT命令显式地切换到指定的数据库，然后才执行命令。

3.键空间

（1）键空间结构

Redis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。键空间中每个键都是一个字符串对象，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。

redisDb的结构及示例如下：

typedef struct redisDb{
    // 数据库键空间，保存着数据库中的所有键值对
    dict *dict;
    // 过期字典，保存着键的过期时间
    dict *expires;
}redis Db;

go 切换redis redis 切换db0到db1_服务器

（2）键空间操作

在键空间中取出键所对应的值对象，根据值对象的类型不同，具体的取值方法也会有所不同。例如，GET命令将首先在键空间中查找键message，找到键之后接着取得该键所对应的字符串对象值，之后再返回值对象所包含的字符串"hello world"。

除了增删改查等操作外，还有很多针对数据库本身的Redis命令，也是通过对键空间进行处理来完成的。例如，清空数据库的FLUSHDB命令，是通过删除键空间中的所有键值对来实现的；用于返回数据库键数量的DBSIZE命令，是通过返回键空间中包含的键值对的数量来实现的；还有 EXISTS、RENAME、KEYS等。

（3）键空间的维护操作

redis运行期间，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，包括：

  • 访问一个键之后，服务器会根据键是否存在来更新服务器的键空间被命中次数、未被命中次数，这两个值可以在INFO stats命令中的keyspace hits、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。
  • 服务器毎次修改一个键之后，都会对脏键计数器的值增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。

4.过期字典

（1）键过期原理

redisDb结构中的expires字典（过期字典）保存了数据库中所有键及过期时间，过期字典的键是一个指针，指向键空间中的某个键对象，过期字典的值是一个long类型的整数，一个毫秒精度的UNIX时间戳，保存了键对象的过期时间。通过过期字典，程序用以下步骤检査给定键是否过期：

  1. 检査给定键是否存在于过期字典：如果存在，那么取得键的过期时间。
  2. 检查当前UNX时间戳是否大于键的过期时间，如果是，键已经过期；否则的话，键未过期。

（2）设置/解除键过期

设置剩余时间：通过EXPIRE命令或PEXPIRE命令设置键的生存时间，客户端可以以秒或者毫秒精度为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。

设置过期时间点：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。过期时间是一个unix时间戳，当到达过期时间，服务器就会从数据库中删除这个键。

实际上EXPIRE、PEXPIRE、EXPIREAT个命令都是使用PEXPIREAT命令来实现的，无论客户端执行的是以上哪一个命令，经过转换之后，最终的执行效果都和执行PEXPIREAT命令一样。

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，但这个命令只能用于字符串键，SETEX命令设置过期时间的原理和EXPIRE是完全一样的。

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，这两个命令是通过计算键的过期时间和当前时间之间的差来实现的。

PERSIST命令是PEXPIREAT命令的反操作，使键永不过期，PERSIST命令在过期字典中查找给定的键，并解除键和值在过期字典中的关联。

EXPIRE 5; 
EXPIREAT 1377257300;
SETEX mykey 60 myvalue;
TTL mykey;
PERSIST mykey;

5.过期键删除策略

（1）删除策略种类

过期键删除策略有三种：定时删除、惰性删除、定期删除。定时删除、定期删除是主动删除策略，惰性删除是被动删除策略。

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。

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。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。

此外，为每一个过期键创建一个定时器需要用到Redis服务器中的时间事件，而时间事件采用无序链表实现，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，实现定时删除策略，效率较低。

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。

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査，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，可能存在大量的过期键存在的现象，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，可能造成比较严重的后果。

定期删除： 每隔一段时间，程序就对数据库进行一次检査，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。

定期删除策略是定时删除、惰性删除策略的一种整合和折中方案，定期删除策略每隔一段时间执行一次删除过期键操作，并通过限制执行的时长和频率来减少删除操作对CPU时间的影响。此外，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，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。

（2）Redis过期键删除的实现

Redis服务器实际使用的是惰性删除和定期删除两种策略：通过配合使用这两种删除策略，服务器可以很好地在合理使用CPU时间和避免浪费内存空间之间取得平衡。

惰性删除策略的实现

过期键的惰性删除策略由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。如果输人键已经过期，那么expireIfNeeded函数将输人键从数据库中删除。如果输入键未过期，那么expireIfNeeded函数不做动作，继续执行Redis命令。

定期删除策略的实现

过期键的定期删除策略由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。activeExpireCycle函数的工作模式如下：

  • 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activeExpireCycle函数检查的进度，并在下一次函数调用时，接着上一次的进度进行处理。比如，当前activeExpireCycle函数在遍历10号数据库时返回了，那么下次函数执行时，将从11号数据库开始査找并删除过期键。
  • 随着activeExpireCycle函数的不断执行，服务器中的所有数据库都会被检查一遍，这时函数将current_db变量重置为0，然后再次开始新一轮的检查工作。

6.键过期对RDB、AOF、复制的影响

（1）对RDB的影响

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服务器并开启了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査，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。

（2）对AOF的影响

写入AOF

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。因此，数据库中包含过期键不会对AOF重写造成影响。

（3）对主从复制的影响

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，规则如下：

  • 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。