Redis源码剖析--数据库

Posted 2021-01-30 我也要当大佬

服务器中的数据库

数据库的实现

Redis的所有数据库保存在redisServer结构的db数组中，每个redisDb结构代表一个数据库，redisServer结构中的dbnum变量决定了有多少个数据库（默认为16个数据库）

struct redisServer {

    // 数据库
    redisDb *db;
    // 服务器数据库数量
    int dbnum;

    // ......
};

 

 redisDb的数据结构如下，blocking_keys 和 ready_keys 使用于在列表类型的阻塞命令(BLPOP等)。

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 */

    // 正处于阻塞状态的键
    dict *blocking_keys;        /* Keys with clients waiting for data (BLPOP) */

    // 可以解除阻塞的键
    dict *ready_keys;           /* Blocked keys that received a PUSH */
   // ......

} redisDb;

 

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切换数据库

当执行SELECT index命令后，就会切换数据库。SELECT index命令的源码如下。客户端结构redisClient内保存着指向数据库的指针db，直接改变指针db就可以实现数据库的切换。

/*
 * 将客户端的目标数据库切换为 id 所指定的数据库
 */
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;
}

 服务器和客户端数据库关系示意图：

 

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数据库的键空间

redisDb结构中的dic字典保存了数据库所有的键值对，expires字典保存了所有键的过期时间。数据库的键（即键空间的键），每个键都是字符串对象，而数据库的值（即键空间的值），每个值可以是字符串对象，列表对象，哈希对象，集合对象和有序集合对象中的一种。

添加新键，实际上就是将一个新键值对添加到键空间字典里去：

删除键，实际上就是在键空间中删除对应的键值对对象。删除键book后，键空间如下：

 

 

过期键

设置键的过期时间

redisDb结构中的expires字典保存了数据库中键的过期时间，expires字典的键是指针，指向键空间的某个键空间（共用对象，避免内存浪费）；expires字典的值保存着键的过期时间（UNIX时间戳）。

设置键的过期时间，实际上就是在expires字典中添加对应的键和过期时间。

通过expires字典，程序可以判断一个键是否过期，只要该键存在于expires字典中，并且当前UNIX时间戳大于键的过期时间，那么此键为过期键。

惰性删除策略

惰性删除策略只会在对键进行读写操作前才会执行。如果输入键过期，直接将输入键从数据库中删除。惰性删除的函数为

int expireIfNeeded(redisDb *db, robj *key) {

    // 取出键的过期时间
    mstime_t when = getExpire(db,key);
    mstime_t now;

    // 没有过期时间
    if (when < 0) return 0; /* No expire for this key */

    /* Don\'t expire anything while loading. It will be done later. */
    // 如果服务器正在进行载入，那么不进行任何过期检查
    if (server.loading) return 0;

    // 当服务器运行在 replication 模式时
    // 附属节点并不主动删除 key
    // 它只返回一个逻辑上正确的返回值
    // 真正的删除操作要等待主节点发来删除命令时才执行
    // 从而保证数据的同步
    if (server.masterhost != NULL) return now > when;

    // 运行到这里，表示键带有过期时间，并且服务器为主节点

    // 如果未过期，返回 0
    if (now <= when) return 0;

    /* Delete the key */
    server.stat_expiredkeys++;

    // 向 AOF 文件和附属节点传播过期信息
    propagateExpire(db,key);

    // 发送事件通知
    notifyKeyspaceEvent(REDIS_NOTIFY_EXPIRED,
        "expired",key,db->id);

    // 将过期键从数据库中删除
    return dbDelete(db,key);
}

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在读操作前会调用lookupKeyRead函数来取出键值，此函数内部会执行惰性删除策略。

/*
 * 为执行读取操作而取出键 key 在数据库 db 中的值。
 *
 * 并根据是否成功找到值，更新服务器的命中/不命中信息。
 *
 * 找到时返回值对象，没找到返回 NULL 。
 */
robj *lookupKeyRead(redisDb *db, robj *key) {
    robj *val;

    // 检查 key 释放已经过期
    expireIfNeeded(db,key);

    // 从数据库中取出键的值
    val = lookupKey(db,key);

    // 更新命中/不命中信息
    if (val == NULL)
        server.stat_keyspace_misses++;
    else
        server.stat_keyspace_hits++;

    // 返回值
    return val;
}

 

 

定期删除策略

定期删除策略是每隔一段时间执行一个删除过期键操作。定期删除策略由 activeExpireCycle 函数实现，该函数会被服务器周期调用。

void activeExpireCycle(int type) {
    // 静态变量，用来累积函数连续执行时的数据
    static unsigned int current_db = 0; /* Last DB tested. */
    static int timelimit_exit = 0;      /* Time limit hit in previous call? */
    static long long last_fast_cycle = 0; /* When last fast cycle ran. */

    unsigned int j, iteration = 0;
    // 默认每次处理的数据库数量
    unsigned int dbs_per_call = REDIS_DBCRON_DBS_PER_CALL;
    // 函数开始的时间
    long long start = ustime(), timelimit;

    // 快速模式
    if (type == ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_FAST) {
        // 如果上次函数没有触发 timelimit_exit ，那么不执行处理
        if (!timelimit_exit) return;
        // 如果距离上次执行未够一定时间，那么不执行处理
        if (start < last_fast_cycle + ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_FAST_DURATION*2) return;
        // 运行到这里，说明执行快速处理，记录当前时间
        last_fast_cycle = start;
    }

    if (dbs_per_call > server.dbnum || timelimit_exit)
        dbs_per_call = server.dbnum;

    // 函数处理的微秒时间上限
    // ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_SLOW_TIME_PERC 默认为 25 ，也即是 25 % 的 CPU 时间
    timelimit = 1000000*ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_SLOW_TIME_PERC/server.hz/100;
    timelimit_exit = 0;
    if (timelimit <= 0) timelimit = 1;

    // 如果是运行在快速模式之下
    // 那么最多只能运行 FAST_DURATION 微秒 
    // 默认值为 1000 （微秒）
    if (type == ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_FAST)
        timelimit = ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_FAST_DURATION; /* in microseconds. */

    // 遍历数据库
    for (j = 0; j < dbs_per_call; j++) {
        int expired;
        // 指向要处理的数据库
        redisDb *db = server.db+(current_db % server.dbnum);

        // 为 DB 计数器加一，如果进入 do 循环之后因为超时而跳出
        // 那么下次会直接从下个 DB 开始处理
        current_db++;

        /* Continue to expire if at the end of the cycle more than 25%
         * of the keys were expired. */
        do {
            unsigned long num, slots;
            long long now, ttl_sum;
            int ttl_samples;

            /* If there is nothing to expire try next DB ASAP. */
            // 获取数据库中带过期时间的键的数量
            // 如果该数量为 0 ，直接跳过这个数据库
            if ((num = dictSize(db->expires)) == 0) {
                db->avg_ttl = 0;
                break;
            }
            // 获取数据库中键值对的数量
            slots = dictSlots(db->expires);
            // 当前时间
            now = mstime();

            // 这个数据库的使用率低于 1% ，扫描起来太费力了（大部分都会 MISS）
            // 跳过，等待字典收缩程序运行
            if (num && slots > DICT_HT_INITIAL_SIZE &&
                (num*100/slots < 1)) break;

            /* The main collection cycle. Sample random keys among keys
             * with an expire set, checking for expired ones. 
             *
             * 样本计数器
             */
            // 已处理过期键计数器
            expired = 0;
            // 键的总 TTL 计数器
            ttl_sum = 0;
            // 总共处理的键计数器
            ttl_samples = 0;

            // 每次最多只能检查 LOOKUPS_PER_LOOP 个键
            if (num > ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_LOOKUPS_PER_LOOP)
                num = ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_LOOKUPS_PER_LOOP;

            // 开始遍历数据库
            while (num--) {
                dictEntry *de;
                long long ttl;

                // 从 expires 中随机取出一个带过期时间的键
                if ((de = dictGetRandomKey(db->expires)) == NULL) break;
                // 计算 TTL
                ttl = dictGetSignedIntegerVal(de)-now;
                // 如果键已经过期，那么删除它，并将 expired 计数器增一
                if (activeExpireCycleTryExpire(db,de,now)) expired++;
                if (ttl < 0) ttl = 0;
                // 累积键的 TTL
                ttl_sum += ttl;
                // 累积处理键的个数
                ttl_samples++;
            }

            /* Update the average TTL stats for this database. */
            // 为这个数据库更新平均 TTL 统计数据
            if (ttl_samples) {
                // 计算当前平均值
                long long avg_ttl = ttl_sum/ttl_samples;
                
                // 如果这是第一次设置数据库平均 TTL ，那么进行初始化
                if (db->avg_ttl == 0) db->avg_ttl = avg_ttl;
                /* Smooth the value averaging with the previous one. */
                // 取数据库的上次平均 TTL 和今次平均 TTL 的平均值
                db->avg_ttl = (db->avg_ttl+avg_ttl)/2;
            }
            // 我们不能用太长时间处理过期键，
            // 所以这个函数执行一定时间之后就要返回

            // 更新遍历次数
            iteration++;

            // 每遍历 16 次执行一次
            if ((iteration & 0xf) == 0 && /* check once every 16 iterations. */
                (ustime()-start) > timelimit)
            {
                // 如果遍历次数正好是 16 的倍数
                // 并且遍历的时间超过了 timelimit
                // 那么断开 timelimit_exit
                timelimit_exit = 1;
            }

            // 已经超时了，返回
            if (timelimit_exit) return;
            // 如果已删除的过期键占当前总数据库带过期时间的键数量的 25 %
            // 那么不再遍历
        } while (expired > ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_LOOKUPS_PER_LOOP/4);
    }
}