Redis - 键空间

灰太狼 2022-12-22 09:49 149阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  1. 键空间简介
 *  2. 读写键空间时的维护操作
 *  3. 设置键的生存时间或过期时间
 *  4. 过期键删除策略
 *   *  4.1 定时删除
     *  4.2 惰性删除
     *  4.3 定期删除
 *  5. AOF、RDB和复制功能对过期键的处理
 *   *  5.1 RDB
     *  5.2 AOF
     *  5.3 复制模式

# 1. 键空间简介 #

Redis是一个键值对（key-value pair）数据库服务器，服务器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（key space）

其C语言代码如下：

typedef struct redisDb{ 
    //...
    dict *dict;
    dict *expires;//键的过期时间
    //...
    }

键空间和用户所见的数据库是直接对应的：

*  键空间的键也就是数据库的键，每个键都是一个字符串对象。
 *  键空间的值也就是数据库的值，每个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。

# 2. 读写键空间时的维护操作 #

当使用Redis命令对数据库进行读写时，服务器不仅会对键空间执行指定的读写操作：

*  在读取一个键之后（读操作和写操作都要对键进行读取），服务器会根据键是否存在来更新服务器的键空间命中（hit）次数或键空间不命中（miss）次数，这两个值可以在INFO stats命令的keyspace\_hits属性和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。
 *  服务器每次修改一个键之后，都会对脏（dirty）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。

# 3. 设置键的生存时间或过期时间 #

通过EXPIRE命令或者PEXPIRE命令，客户端可以以秒或者毫秒精度为数据库中的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。

*  expire＜key＞＜ttl＞命令用于将键key的生存时间设置为ttl秒。
 *  pexpire＜key＞＜ttl＞命令用于将键key的生存时间设置为ttl毫秒。
 *  expireat＜key＞＜timestamp＞命令用于将键key的过期时间设置为timestamp所指定的秒数时间戳。
 *  pexpireat＜key＞＜timestamp＞命令用于将键key的过期时间设置为timestamp所指定的毫秒数时间戳。

虽然有多种不同单位和不同形式的设置命令，但实际上expire、pexpire、expireat三个命令都是使用pexpireat命令来实现的：无论客户端执行的是以上四个命令中的哪一个，经过转换之后，最终的执行效果都和执行pexpireat命令一样。

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redisDb结构的expires字典保存了数据库中所有键的过期时间，我们称这个字典为过期字典：

*  过期字典的键是一个指针，这个指针指向键空间中的某个键对象（也即是某个数据库键）。（与dict指向同一个对象，不会造成空间的浪费）
 *  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过期时间——一个毫秒精度的UNIX时间戳。

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PERSIST命令就是PEXPIREAT命令的反操作：PERSIST命令在过期字典中查找给定的键，并解除键和值（过期时间）在过期字典中的关联。

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计算并返回剩余生存时间:

TTL命令以秒为单位返回键的剩余生存时间，而PTTL命令则以毫秒为单位返回键的剩余生存时间;

TTL和PTTL两个命令都是通过计算键的过期时间和当前时间之间的差来实现的。

# 4. 过期键删除策略 #

主要有三种删除策略：

*  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。
 *  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。
 *  定期删除：每隔一段时间，程序就对数据库进行一次检查，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。

## 4.1 定时删除 ##

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。

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。  
因此，要让服务器创建大量的定时器，从而实现定时删除策略，在现阶段来说并不现实。

## 4.2 惰性删除 ##

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查，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。

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。

## 4.3 定期删除 ##

定期删除策略是前两种策略的一种整合和折中：

*  定期删除策略每隔一段时间执行一次删除过期键操作，并通过限制删除操作执行的时长和频率来减少删除操作对CPU时间的影响。
 *  通过定期删除过期键，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，如果采用定期删除策略的话，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。

# 5. AOF、RDB和复制功能对过期键的处理 #

## 5.1 RDB ##

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。

在载入时，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查，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。

## 5.2 AOF ##

当服务器以AOF持久化模式运行时，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重写后的AOF文件中。

## 5.3 复制模式 ##

*  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**。

**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。**