本文主要介紹Redis服務器數據庫的設計與實現，說明保存數據庫的方法，保存鍵值對的方法，以及針對數據庫添加、刪除、查找、更新操作的實現方法，并且還會說明對過期鍵的處理方式。
I、服務器中的數據庫
Redis服務器將所有的數據庫都保持在redisServer結構的db數組中，每個db數組都是一個redisDb結構，每個redisDb都表示一個數據庫：
II、切換數據庫
客戶端可以通過SELECT命令來切換目標數據庫。
在服務器內部，客戶端狀態redisClient結構的db屬性記錄了客戶端當前的目標數據庫，這個屬性是一個指向redisDb的指針：
typedef struct redisClient {
//記錄客戶端當前正在使用的數據庫
redisDb *db;
} redisClient;
通過修改redisClient.db指針,讓它指向服務器中的不同數據庫，從而實現切換數據庫的功能，這就是SELECT命令的實現原理。
III、數據庫鍵空間
redisDb結構中的dict字典保存了數據庫中的所有鍵值對，我們將這個字典稱為鍵空間：
typedef struct redisDb {
//數據庫鍵空間，保存所有鍵值對
dict *dict;
} redisDb;
數據庫的鍵空間是一個字典，所有對數據庫的操作，都是以字典操作來實現的，如數據庫的添加、刪除、更新、取值等。
IV、設置鍵的生存時間或過期時間
4.1 設置過期鍵命令
通過EXPIRE命令或PEXPIRE命令，客戶端可以以秒或毫秒為單位為數據庫中的某個鍵設置生存時間（TTL，Time To Live）。
客戶端還可以通過EXPIREAT命令或PEXPIREAT命令，以秒或毫秒為單位設置過期時間，這個過期時間是一個UNIX時間戳。
TTL命令和PTTL命令接受一個帶有生存時間或過期時間的鍵，返回這個鍵的剩余生存時間。
4.2 保存過期時間
redisDb結構的expires字典保存了數據庫中所有鍵的過期時間，稱這個字典為過期字典：
typedef struct redisDb {
//過期字典，保存著鍵的過期時間
dict *expires;
} redisDb;
下圖展示了這個結構：
4.3 移除過期時間
PERSIST命令可以移除一個鍵的過期時間，其是PEXPIREAT命令的反操作。
V、過期鍵刪除策略
5.1 三種基本刪除策略
1、定時刪除：在設置鍵的過期時間的同時，創建一個定時器，讓定時器在鍵過期時間到達時，執行對鍵的刪除操作。
定時刪除策略對內存是最友好的，因為其可以保證過期鍵盡可能快的被刪除，并釋放過期鍵所占內存。
但其對CPU時間是不友好的， 在過期鍵比較多的情況下，刪除過期鍵這一行為可能會占用相當一部分CPU時間。如果有當量的命令請求等待服務器處理，那么服務器應該優先將CPU時間處理客戶端請求，而不是在刪除過期鍵上面。
2、惰性刪除：放任過期鍵不管，但是每次從鍵空間中獲取鍵時，都檢查取得的鍵是否過期，如果過期則刪除，如果不過期，則返回該鍵。
與上面的分析類似，惰性刪除策略對CPU時間來說是最友好的，但對內存是不友好的。
3、定期刪除：每隔一段時間，程序就對數據庫進行一次檢查，刪除里面的過期鍵。至于要刪除多少過期鍵，以及要檢查多少個數據庫，都是由算法決定的。
定期刪除策略是前面兩種刪除策略的整合和折中：
每隔一段時間執行一次刪除操作，并限制刪除操作的時長和頻率，以減少刪除操作對CPU時間的影響。
通過定期刪除有效減少了因為過期鍵而帶來的內存浪費。
5.2 Redis的過期鍵刪除策略
Redis服務器采用惰性刪除和定期刪除兩種策略，通過配合使用這兩種刪除策略，可以很好的在合理使用CPU時間和避免內存浪費之間取得平衡。
VI、AOF，RDB和復制功能對過期鍵的處理
RDB持久化、AOF持久化以及復制功能是如何處理數據庫中的過期鍵的？
6.1 生成RDB文件
在執行SAVE命令或BGSAVE命令創建一個RDB文件時，程序對數據庫中的鍵進行檢查，已過期的鍵不會被保存到新創建的RDB文件中。
所以，數據庫中包含過期鍵不會對生成新的RDB文件造成影響。
6.2 載入RDB文件
如果服務器開啟了RDB功能，則服務器將對RDB文件進行載入：
· 如果服務器以主服務器模式運行，那么在載入RDB文件時，程序會對文件中保存的鍵進行檢查，未過期的鍵會被載入到數據庫中，而過期鍵會被忽略。
所以過期鍵對載入RDB文件的主服務器不會造成影響。
· 如果服務器以從服務器模式運行，那么在載入RDB文件時，文件中保存的所有鍵不論是否過期，都會被載入到數據庫中，但是因為主從服務器在進行數據同步的時候，從服務器就會重新更新為與主服務器一致，而這時也會刪除過期鍵。
因此，過期鍵對載入RDB文件的從服務器也不會造成影響。
6.3 AOF文件寫入
當服務器以AOF持久化模式運行時，如果數據庫中的某個鍵已經過期，還沒有被惰性刪除或定期刪除，則AOF文件不會因為這個過期鍵而產生任何影響，這是因為當過期鍵被惰性刪除或定期刪除之后，程序會向AOF文件追加一條DEL命令。
6.4 AOF重寫
在執行AOF重寫的過程中，程序會對數據庫中的鍵進行檢查，已過期的鍵不會被重寫到AOF文件中。
6.5 復制
當服務器運行在復制模式下，從服務器的過期鍵刪除動作由主服務器控制：
· 主服務器在刪除一個過期鍵之后，會顯式的向所有從服務器發送一個DEL命令；
· 從服務器在執行客戶端發送的讀命令時，即使碰到過期鍵也不會將過期鍵刪除，而是正常返回；
· 從服務器只有在接到主服務器發來的DEL命令之后，才會刪除過期鍵；
通過由主服務器來控制從服務器統一的刪除過期鍵，可以保證主從服務器數據的一致性。
例如，有下圖的主從服務器結構：
當客戶端向從服務器發送GET message時，從服務器正常返回過期鍵：
當有客戶端向主服務器發送GET message時，主服務器發現message過期，會刪除message鍵，向客戶端返回nil，并向從服務器發送DEL message：
最后的主從服務器結構為：
【參考】
[1] 《Redis設計與實現》
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