《redis設計與實現》2-資料庫實現篇

kinnylee發表於2018-12-17

Redis資料庫

上一篇文章介紹了redis基本的資料結構和物件《redis設計與實現》1-資料結構與物件篇

本文主要關於：

redis資料庫實現的介紹
前面介紹的各種資料，在redis伺服器中的記憶體模型是什麼樣的的。
RDB檔案將這些記憶體資料持久化後的格式是什麼樣的
RDB和AOF序列化的區別是什麼
redis提供什麼機制保障AOF檔案不會一直增長
RDB檔案轉儲成json檔案和記憶體分析工具介紹
客戶端和服務端資料結構介紹

資料庫

伺服器的資料庫

redis是記憶體型資料庫，所有資料都放在記憶體中
儲存這些資料的是redisServer這個結構體，原始碼中該結構體包括大概300多行的程式碼。具體參考server.h/redisServer
和資料庫相關的兩個屬性是：
- int型別的dbnum：表示資料庫數量，預設16個
- redisDb指標型別的db：資料庫物件陣列

資料庫物件

所在檔案為server.h。資料庫中所有針對鍵值對的增刪改查，都是對dict做操作

typedef struct redisDb {
    dict *dict;                 /* The keyspace for this DB  */
    dict *expires;              /* Timeout of keys with a timeout set */
    dict *blocking_keys;        /* Keys with clients waiting for data (BLPOP)*/
    dict *ready_keys;           /* Blocked keys that received a PUSH */
    dict *watched_keys;         /* WATCHED keys for MULTI/EXEC CAS */
    int id;                     /* Database ID */
    long long avg_ttl;          /* Average TTL, just for stats */
} redisDb;
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dict：儲存了該資料庫中所有的鍵值對，鍵都是字串，值可以是多種型別
expires：儲存了該資料中所有設定了過期時間的key
blocking_keys：儲存了客戶端阻塞的
watched_keys：儲存被watch的命令
id：儲存資料庫索引
avg_ttl

客戶端切換資料庫

客戶端通過select dbnum 命令切換選中的資料庫
客戶端的資訊儲存在client這個資料結構中，參考server.h/client
client的型別為redisDb的db指標指向目前所選擇的資料庫

讀寫鍵空間時的其他操作

讀寫鍵空間時，是針對dict做操作，但是除了完成基本的增改查詢操作，還會執行一些額外的維護操作，包括：

讀寫鍵時，會根據是否命中，更新hit和miss次數。

相關命令：info stats keyspace_hits, info stats keyspace_misses
讀取鍵後，會更新鍵的LRU時間，前面章節介紹過該欄位
讀取時，如果發現鍵已經過期，會先刪除該鍵，然後才執行其他操作
如果watch監視了某個鍵，修改時會標記該鍵為髒（dirty）
每修改一個鍵，會對髒鍵計數器加1，觸發持久化和複製操作
如果開啟通知功能，修改鍵會下發通知

設定過期時間

expire key ttl：設定生存時間為ttl秒
pexpire key ttl：設定生存時間為ttl毫秒
expireat key timestamp：設定過期時間為timstamp的秒數時間戳
pexpireat key timestamp：過期時間為毫秒時間戳
persist key：解除過期時間
ttl key：獲取剩餘生存時間

儲存過期時間

過期時間儲存在expires的字典中，值為long型別的毫秒時間戳

過期鍵刪除策略

各種刪除策略的對比

策略型別	描述	優點	缺點	redis是否採用
定時刪除	通過定時器實現	保證過期鍵能儘快釋放	對cpu不友好，影響相應時間和吞吐量	否
惰性刪除	放任不管，查詢時才去檢查	對cpu友好	沒有被訪問的永遠不會被釋放，相當於記憶體洩露	是
定期刪除	每隔一段時間檢查	綜合前面的優點	難於確定執行時長和頻率	是

redis使用的過期鍵刪除策略

redis採用了惰性刪除和定期刪除策略

惰性刪除的實現

由db.c中的expireIfNeeded實現
每次執行redis命令前都會呼叫該函式對輸入鍵做檢查

定期刪除的實現

server.c中的serverCron函式執行定時任務
函式每次執行時，都從一定數量的資料庫中取出一定數量的鍵進行檢查，並刪除過期鍵

資料庫通知

鍵空間通知：客戶端獲取資料庫中鍵執行了什麼命令。實現程式碼為notify.c檔案的notifyKeyspaceEvent函式
```
subscribe __keyspace@0__:keyname
複製程式碼
```
鍵事件通知：某個命令被什麼鍵執行了
```
subscribe __keyevent@0__:del
複製程式碼
```

RDB持久化

redis是記憶體資料庫，為了避免伺服器程式異常導致資料丟失，redis提供了RDB持久化功能
持久化後的RDB檔案是一個經過壓縮的二進位制檔案

RDB檔案的建立與載入

生成rdb檔案的兩個命令如下，實現函式為rdb.c檔案的rdbSave函式：

SAVE：阻塞redis伺服器程式，知道RDB建立完成。阻塞期間不能處理其他請求
BGSAVE：派生出子程式，子程式負責建立RDB檔案，父程式繼續處理請求

RDB檔案的載入是在伺服器啟動時自動執行的，實現函式為rdb.c檔案的rdbload函式。載入期間伺服器一直處於阻塞狀態

自動間隔儲存

redis允許使用者通過設定伺服器配置的server選項，讓伺服器每隔一段時間（100ms）自動執行BGSAVE命令（serverCron函式）

//server.c中main函式內部建立定時器，serverCron為定時任務回撥函式
if (aeCreateTimeEvent(server.el, 1, serverCron, NULL, NULL) == AE_ERR) {
    serverPanic("Can't create event loop timers.");
    exit(1);
}
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配置引數

// 任意一個配置滿足即執行
save 900 1 // 900s內，對伺服器進行至少1次修改
save 300 10 // 300s內，對伺服器至少修改10次
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資料結構

// 伺服器全域性變數，前面介紹過
struct redisServer {
    ...
     /* RDB persistence */
    // 上一次執行save或bgsave後，對資料庫進行了多少次修改
    long long dirty;                /* Changes to DB from the last save */
    long long dirty_before_bgsave;  /* Used to restore dirty on failed BGSAVE */
    pid_t rdb_child_pid;            /* PID of RDB saving child */
    struct saveparam *saveparams;   /* Save points array for RDB */
    int saveparamslen;              /* Number of saving points */
    char *rdb_filename;             /* Name of RDB file */
    int rdb_compression;            /* Use compression in RDB? */
    int rdb_checksum;               /* Use RDB checksum? */
    // 上一次成功執行save或bgsave的時間
    time_t lastsave;                /* Unix time of last successful save */
    time_t lastbgsave_try;          /* Unix time of last attempted bgsave */
    time_t rdb_save_time_last;      /* Time used by last RDB save run. */
    time_t rdb_save_time_start;     /* Current RDB save start time. */
    int rdb_bgsave_scheduled;       /* BGSAVE when possible if true. */
    int rdb_child_type;             /* Type of save by active child. */
    int lastbgsave_status;          /* C_OK or C_ERR */
    int stop_writes_on_bgsave_err;  /* Don't allow writes if can't BGSAVE */
    int rdb_pipe_write_result_to_parent; /* RDB pipes used to return the state */
    int rdb_pipe_read_result_from_child; /* of each slave in diskless SYNC. */
    ...
};
// 具體每一個引數對應的變數
struct saveparam {
    time_t seconds;
    int changes;
};
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RDB檔案結構

概覽

頭五個字元為‘redis’常量，標識這個rdb檔案是redis檔案
dv_version：4位元組，標識了rdb檔案的版本號
databases：資料庫檔案內容
EOF：常量，1位元組，標識檔案正文結束
check_sum：8位元組無符號整形，儲存校驗和，判定檔案是否有損壞

dababases部分

每個database的內容：

SELECTDB：常量，1位元組。標識了後面的位元組為資料庫號碼
db_number：資料庫號碼
key_value_pairs：資料庫的鍵值對，如果有過期時間，也放在一起。

key_value_pairs部分

不帶過期時間的鍵值對

type為value的型別，1位元組，代表物件型別或底層編碼，根據type決定如何讀取value

帶過期時間的鍵值對

EXPIRETIME：常量，1位元組，表示接下來要讀入的是一個以毫秒為單位的過期時間
ms：8位元組長的無符號整形，過期時間

value的編碼

每個value儲存一個值物件，與type對應。type不同，value的結構，長度也有所不同

字串物件

type為REDIS_RDB_TYPE_STRING, value為字串物件，而字串物件本身又包含物件的編碼和內容
如果編碼為整數型別，編碼後面直接儲存整數值
如果編碼為字串型別，分為壓縮和不壓縮
- 如果字串長度<=20位元組，不壓縮
- 如果字串長度>20位元組，壓縮儲存
  - REDIS_RDB_ENC_LZF:常量，標識字串被lzf演算法壓縮過
  - compressed_len：被壓縮後的長度
  - origin_len：字串原始長度
  - compressed_string：壓縮後的內容

列表物件

type為REDIS_RDB_TYPE_LIST, value為列表物件
list_length：記錄列表的長度
item：以字串物件來處理

集合物件

typw為REDIS_RDB_TYPE_SET，value為集合物件
set_size：集合大小
elem：以字串物件來處理

雜湊物件

type為REDIS_RDB_TYPE_HASH, value為雜湊物件
hash_size：雜湊物件大小
key-value都以字串物件處理

有序集合物件

type為REDIS_RDB_TYPE_ZSET，value為有序集合物件

intset編碼集合

type為REDIS_RDB_TYPE_SET_INTSET, value為整數集合物件
先將結合轉換為字串物件，然後儲存。讀入時，將字串物件轉為整數集合物件

ziplist編碼的物件（包括列表，雜湊，有序集合）

type為REDIS_RDB_TYPE_LIST_ZIPLIST, REDIS_RDB_TYPE_HASH_ZIPLIST, REDIS_RDB_TYPE_ZSET_ZIPLIST
先將壓縮列表轉換為字串物件，儲存到rdb檔案
讀取時根據type型別，讀入字串，轉換為壓縮列表物件

分析RDB檔案

使用linux自帶的od命令

使用linux自帶的od命令可以檢視rdb檔案資訊，比如od -c dump.rdb,以Ascii列印，下圖顯示docker建立的redis中，空的rdb檔案輸出的內容

工具

AOF持久化

AOF寫入與同步

除了RDB持久化外，redis還提供了AOF持久化功能。區別如下：

RDB通過儲存資料庫中鍵值對記錄資料庫狀態
AOF通過儲存伺服器執行的寫命令來記錄資料庫狀態

AOF持久化分為三步：

命令追加：命令append到redisServer全域性變數的aof_buf成員中
檔案寫入：
檔案同步

事件結束時呼叫flushAppendOnlyFile函式，考慮是否將aof_buf內容寫到AOF檔案裡（引數決定）

always：所有內容寫入並同步到AOF檔案（寫入的是緩衝區，同步時從緩衝區刷到磁碟）
everysec：預設值。寫入AOF檔案，如果上次同步時間距現在草稿1s，同步AOF。
no：只寫入AOF檔案，由系統決定何時同步

AOF載入與還原

伺服器只需要讀入並執行一遍AOF命令即可還原資料庫狀態，讀取的步驟如下：

建立一個不帶網路連線的偽客戶端：因為命令只能在客戶端執行
從AOF讀取一條寫命令
使用客戶端執行該命令
重複上面的步驟，直到完成

AOF重寫

隨著時間流逝，AOF檔案內容會越來越大，影響redis效能。redis提供重寫功能解決該問題。
重寫是通過讀取redis當前資料狀態完成的，而不是解析AOF檔案
為了不影響redis正常響應，重寫功能通過建立子程式（注意不是執行緒）完成
為了解決父子程式資料不一致問題（父程式接收新的請求），redis設定了AOF重寫緩衝區。新的命令在AOF緩衝區和AOF重寫緩衝區中雙寫。

事件

redis是一個事件驅動程式，事件包括兩大類：

檔案事件：socket通訊完成一系列操作
時間事件：某些需要在給定時間執行的操作

檔案事件

redis基於Reactor模式開發事件處理器，使用IO多路複用監聽套接字。關於IO多路複用可參考之前的文章五種io模型對比
，雖然事件處理器以單執行緒執行，通過io多路複用，能同時監聽多個套接字實現高效能

事件處理器的構成

檔案事件：套接字操作的抽象
io多路複用程式：同時監聽多個套接字，並向事件分派器傳送事件。多個套接字按佇列排序
檔案事件分派器：接收套接字，根據事件型別呼叫相應的事件處理器
事件處理器：不同的函式實現不同的事件

IO多路複用的實現

可選的io多路複用包括select,epoll,evport,kqueue實現。每種實現都放在單獨的檔案中。編譯時根據不同的巨集切換不同的實現

事件型別

#define AE_NONE 0       /* No events registered. */
#define AE_READABLE 1   /* Fire when descriptor is readable. */
#define AE_WRITABLE 2   /* Fire when descriptor is writable. */
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處理器

redis為檔案事件編寫了多個處理器，分別用於實現不同的網路需求，在networking.c檔案中，包括：

連線應答處理器：監聽套接字，接收客戶端命令請求。對應函式為acceptTcpHandler。內部呼叫socket程式設計的accpt函式
命令請求處理器：負責讀入套接字中的命令請求內容。對應函式為readQueryFromClient。內部呼叫socket程式設計的read函式
命令回覆處理器：負責將回復通過套接字返回給客戶。對應函式為sendReplyToClient。內部呼叫socket班車的write函式

時間事件

屬性

時間事件包括三個屬性：

id：伺服器建立的全域性唯一標識
when：事件到達時間
timeProc：處理器，一個函式

實現

所有時間事件放在一個無序連結串列中
執行時需要遍歷連結串列
ae.c/aeCreateTimeEvent：建立時間處理器
aeSearchNearestTimer：返回距離當前時間最近的時間事件
ae.c/processTimeEvents：遍歷時間處理器並執行

事件排程

事件排程和執行由ae.c/aeProcessEvents函式負責
該函式被放在ae.c/aeMain函式中的一段迴圈裡面，不斷執行直到伺服器關閉
aeMain被server.c的main函式呼叫

int main() {
    ...
    aeMain(server.el);
    ...
}
void aeMain(aeEventLoop *eventLoop) {
    eventLoop->stop = 0;
    while (!eventLoop->stop) {
        if (eventLoop->beforesleep != NULL)
            eventLoop->beforesleep(eventLoop);
        aeProcessEvents(eventLoop, AE_ALL_EVENTS|AE_CALL_AFTER_SLEEP);
    }
}

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客戶端

redis伺服器為每個連線的客戶端建立了一個redisClient的結構，儲存客戶端狀態資訊。所有客戶端的資訊放在一個連結串列裡。可通過client list命令檢視

struct redisServer {
    ...
    list *clients;
    ...
}
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客戶端資料結構如下：

typedef struct client {
    uint64_t id;            /* Client incremental unique ID. */
    //客戶端套接字描述符，偽客戶端該值為-1（包括AOF還原和執行Lua指令碼的命令）
    int fd;                 /* Client socket. */
    redisDb *db;            /* Pointer to currently SELECTed DB. */
    // 客戶端名字，預設為空，可通過client setname設定
    robj *name;             /* As set by CLIENT SETNAME. */
    // 輸入緩衝區，儲存客戶端傳送的命令請求，不能超過1G
    sds querybuf;           /* Buffer we use to accumulate client queries. */
    size_t qb_pos;          /* The position we have read in querybuf. */
    sds pending_querybuf;   /* If this client is flagged as master, this buffer
                               represents the yet not applied portion of the
                               replication stream that we are receiving from
                               the master. */
    size_t querybuf_peak;   /* Recent (100ms or more) peak of querybuf size. */
    // 解析querybuf，得到引數個數
    int argc;               /* Num of arguments of current command. */
    // 解析querybuf，得到引數值
    robj **argv;            /* Arguments of current command. */
    // 根據前面的argv[0]， 找到這個命令對應的處理函式
    struct redisCommand *cmd, *lastcmd;  /* Last command executed. */
    int reqtype;            /* Request protocol type: PROTO_REQ_* */
    int multibulklen;       /* Number of multi bulk arguments left to read. */
    long bulklen;           /* Length of bulk argument in multi bulk request. */
    // 伺服器返回給客戶端的可被空間，固定buff用完時才會使用
    list *reply;            /* List of reply objects to send to the client. */
    unsigned long long reply_bytes; /* Tot bytes of objects in reply list. */
    size_t sentlen;         /* Amount of bytes already sent in the current
                               buffer or object being sent. */
    // 客戶端的建立時間
    time_t ctime;           /* Client creation time. */
    // 客戶端與伺服器最後一次互動的時間
    time_t lastinteraction; /* Time of the last interaction, used for timeout */
    // 客戶端空轉時間
    time_t obuf_soft_limit_reached_time;
    // 客戶端角色和狀態：REDIS_MASTER, REDIS_SLAVE, REDIS_LUA_CLIENT等
    int flags;              /* Client flags: CLIENT_* macros. */
    // 客戶端是否通過身份驗證的標識
    int authenticated;      /* When requirepass is non-NULL. */
    int replstate;          /* Replication state if this is a slave. */
    int repl_put_online_on_ack; /* Install slave write handler on ACK. */
    int repldbfd;           /* Replication DB file descriptor. */
    off_t repldboff;        /* Replication DB file offset. */
    off_t repldbsize;       /* Replication DB file size. */
    sds replpreamble;       /* Replication DB preamble. */
    long long read_reploff; /* Read replication offset if this is a master. */
    long long reploff;      /* Applied replication offset if this is a master. */
    long long repl_ack_off; /* Replication ack offset, if this is a slave. */
    long long repl_ack_time;/* Replication ack time, if this is a slave. */
    long long psync_initial_offset; /* FULLRESYNC reply offset other slaves
                                       copying this slave output buffer
                                       should use. */
    char replid[CONFIG_RUN_ID_SIZE+1]; /* Master replication ID (if master). */
    int slave_listening_port; /* As configured with: SLAVECONF listening-port */
    char slave_ip[NET_IP_STR_LEN]; /* Optionally given by REPLCONF ip-address */
    int slave_capa;         /* Slave capabilities: SLAVE_CAPA_* bitwise OR. */
    multiState mstate;      /* MULTI/EXEC state */
    int btype;              /* Type of blocking op if CLIENT_BLOCKED. */
    blockingState bpop;     /* blocking state */
    long long woff;         /* Last write global replication offset. */
    list *watched_keys;     /* Keys WATCHED for MULTI/EXEC CAS */
    dict *pubsub_channels;  /* channels a client is interested in (SUBSCRIBE) */
    list *pubsub_patterns;  /* patterns a client is interested in (SUBSCRIBE) */
    sds peerid;             /* Cached peer ID. */
    listNode *client_list_node; /* list node in client list */

    /* Response buffer */
    // 記錄buf陣列目前使用的位元組數
    int bufpos;
    // (16*1024)=16k,伺服器返回給客戶端的內容緩衝區。固定大小，儲存一下固定返回值（如‘ok’）
    char buf[PROTO_REPLY_CHUNK_BYTES];
} client;
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伺服器

伺服器記錄了redis伺服器所有的資訊，包括前面介紹的一些，羅列主要的如下：

struct redisServer {
    ...
    // 所有資料資訊
    redisDb *db;
    // 所有客戶端資訊
    list *clients;
    
     /* time cache */
    // 系統當前unix時間戳,秒
    time_t unixtime;    /* Unix time sampled every cron cycle. */
    time_t timezone;    /* Cached timezone. As set by tzset(). */
    int daylight_active;    /* Currently in daylight saving time. */
    // 系統當前unix時間戳,毫秒
    long long mstime;   /* Like 'unixtime' but with milliseconds resolution. */
    
    // 預設沒10s更新一次的時鐘快取，用於計算鍵idle時長
    unsigned int lruclock;      /* Clock for LRU eviction */
    
    // 抽樣相關的引數
    struct {
        // 上次抽樣時間
        long long last_sample_time; /* Timestamp of last sample in ms */
        // 上次抽樣時，伺服器已經執行的命令數
        long long last_sample_count;/* Count in last sample */
        // 抽樣結果
        long long samples[STATS_METRIC_SAMPLES];
        int idx;
    } inst_metric[STATS_METRIC_COUNT];
    
    // 記憶體峰值
    size_t stat_peak_memory;        /* Max used memory record */
    // 關閉伺服器的標識
    int shutdown_asap;          /* SHUTDOWN needed ASAP */
    // bgsave命令子程式的id
    pid_t rdb_child_pid;            /* PID of RDB saving child */
    // bgrewriteaof子程式id
    pid_t aof_child_pid;            /* PID if rewriting process */
    // serverCron執行次數
    int cronloops;              /* Number of times the cron function run */
    ...
}
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參考

《redis設計與實現》
rdbtool wiki
rdr分析工具

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