redis设计与实现-读书心得

傷城~ 2022-11-15 12:59 141阅读 0赞

**目录**

简单动态字符串

链表

字典

跳跃表

整数集合

压缩列表

对象

数据库

RDB持久化

AOF持久化

事件

客户端

服务器

复制

sentinel

集群

发布和订阅

事务

lua脚本

排序

二进制位数组

慢查询日志

监视器

今天完成了第一遍《redis设计与实现》这本书的阅读。一个小小的redis想不到里面有这么多的细节，颇为叹服！现将主要内容作下记录，以备复习使用，也希望能帮到想快速了解redis的朋友。

全书共分四大部分，24个章节。

第一部分：

数据结构与对象

第二部分：

单机数据库的实现

第三部分

多机数据库的实现

第四部分

独立功能的实现

先简单讲了数据结构和对象，然后逐渐深入讲解单机和多机数据库的实现，最后讲了一些独立的功能模块。

这本书之前也曾经尝试拜读过，只不过只看了一两个章节，这次系统学了下，并下载了源码进行了简单的对照学习。

### **简单动态字符串** ###

Redis只会使用c字符串作为字面量，大多数情况下，用sds作为字符串表示。

比起c字符串，有以下优点：

1、常数复杂度获取字符串长度

2、杜绝缓冲区溢出

3、减少修改字符串时候所需的内存重新分配次数

4、二进制安全

5、兼容部分的c字符串函数

### **链表** ###

链表被用于redis的各种功能，包括但不限于列表键、发布与订阅、慢查询、监视器等。

每个链表节点由一个listnode组成，每个节点都有一个指向前置节点和后置节点等指针，所以redis等链表是双端链表。每个链表由一个list结构来表示，这个结构包含表头表尾和长度等信息。redis链表是无环链表。

通过为redis 链表设置不同的类型特定函数，可以用于保存各种不同类型的值。

### **字典** ###

用于实现redis的各种功能，包含数据库和哈希键。

字典使用哈希表作为底层实现，每个字典有两个哈希表，一个平时使用，一个rehash时使用。

当用作数据库或者哈希键的底层实现时，使用murmurhash2算法计算哈希值。

哈希表用链地址法解决冲突，用单向链表。

当哈希表收缩或者扩展时，需要把所有的键值对rehash到新的哈希表里面，这个过程不是一次性完成的，而是渐进式完成的。

### **跳跃表** ###

是有序集合的底层实现之一，由zskiplist和zskiplistnode两部分组成，前者用于保存表头表尾长度等跳跃表信息，而后者用于保存跳跃表节点。

每个跳跃表节点的层高都是1至32之间的随机数，多个节点可以包含相同的分值，但每个节点的成员对象必须是唯一的。

节点按照分值大小排序，分值相同，按成员对象大小排序。

### **整数集合** ###

整数集合是集合键的底层实现之一。

整数集合的底层实现是数组，这个数组以有序无重复的方式保存数据。有需要时，会根据新添加元素的类型，改变这个数组的类型。

升级操作为整数集合带来了操作上的灵活性，并尽可能的节约了内存，只支持升级操作，不支持降级操作。

### **压缩列表** ###

压缩列表是一种为节约内存而开发的顺序型数据结构。被用作**列表键和哈希键**的底层实现之一。

压缩列表可以包含多个节点，每个节点可以包含一个字节数组或者整数值。

添加新节点到压缩列表或删除节点，可能会引发连锁跟新操作，但几率不高。

### **对象** ###

redis服务器的每个键值对的 键值都是一个对象。

服务器在执行某些命令之前，会先检查给定键的类型能否执行指定的命令，

redis的对象系统是带有引用计数的内存回收机制，当一个对象不再使用的时候，该对象所占的内存就会被释放。

redis会共享0到9999的字符串对象。

对象会记录自己最后一次被访问的时间，这个时间可以用来计算对象的空转时间。

### **数据库** ###

redis服务器的所有数据库都保存在redisserver.db数组中，数据库的数量保存在redisserver.dbnum属性中。

客户端通过修改目标数据库指针，来指向edisserver.db数组中不同的数据库，达到切换库的目的。

数据库主要由dict和expires两个字典组成，前者保存键值对，后者保存键的过期时间。

数据库由字典组成，数据库操作建立在字典之上。

expires字典的键指向数据库中的某个键，而值记录了过期时间，过期时间是一个以毫秒为单位的时间戳。

redis使用惰性删除和定期删除来删除过期的键。

执行save和bgsave时候保存的文件不包含已经过期的键。执行bgrewriteaof也不包含过期的键。

当主服务器删除过期键的时候，会向所有的从服务器发送一条del命令，显示的删除过期键。从服务器即使发现过期键也不主动删除，等待主节点发来del命令，这种统一，中心化的策略可以保持主从的一致性。

当redis对数据库进行修改后，服务器会根据配置向客户端发送通知。

### **RDB****持久化** ###

Rdb文件用于保存和还原redis服务器所有数据库的所有键值对数据。

Save命令会阻塞服务器，由服务器进程直接执行保存操作。bgsave不会阻塞，由子进程执行保存操作。

服务器状态会保存所有用save选项设置的保存条件，当任意一个条件被满足时，服务器会自动执行bgsave命令。

rdb文件是一个经过压缩的二进制文件，由多个部分组成。对于不同类型的键值对，rdb会用不同的方式保存他们。

### **AOF****持久化** ###

Aof通过记录服务器的所有的写命令请求保存数据库状态，保存的所有命令都以redis命令请求协议的格式保存。命令会先保存在aof缓冲区，之后再定期写入并同步到aof文件。

appendfsync选项值的不同对aof持久化的安全性和redis服务器的性能有很大影响。

服务器只要载入并重新执行保存在aof文件中的命令，就可以还原数据库本来的状态。

aof重写是产生新的文件，和原来的状态一样，但体积更小。重写是一个有歧义的名字，通过读取数据库中的键值对来实现，无需对现有的aof文件进行读入、分析或写入操作。

在执行bgrewritefof命令时，redis会维护一个aof重写缓冲区，该缓冲区会在子进程创建新的aof期间，记录服务器执行的所有写命令，当子进程完成创建新的aof工作之后，服务器会将所有重写缓冲区中的内容加到新的aof文件的末尾，使得新旧一致，最后服务器用新的aof文件替换旧的文件，完成aof重写操作。

### **事件** ###

Redis服务器是一个事件驱动程序，服务器事件分为时间事件和文件事件两大类。

文件事件是基于reactor模式实现的网络通信程序。

文件事件是对套接字操作的抽象：每次套接字变为可写、可读或者可应答时，相应的文件事件产生。

文件事件分为ae\_readable（读事件） ae\_writable （写事件）两类事件，他们之间是合作关系，服务器会轮流处理两种事件，且不会发生抢占。

时间事件分为定时事件和周期性事件两类

服务器在一般情况下只执行servercron函数一个时间事件，并且这个事件是周期事件。

时间事件的处理实际处理时间通常比设定的到达时间晚一些。

### **客户端** ###

服务器状态结构记录在clients链表里面，新添加的放到链表尾部。

客户端状态的flags属性记录客户端的角色，以及当前客户端所处的状态。

输入缓冲区记录了客户端发送的命令请求，这个缓冲区的大小不超过1g。

命令的参数和参数个数会记录到会记录到客户端状态的argv和argc里面，而cmd属性里面记录的要执行命令的实现函数。

客户端有固定大小船冲区和可变大小的缓冲区，前者大小16kb，后者不超过设置的硬性限制。

输出缓冲区限制值有两种：

如果缓冲区大小超过了限制，直接关闭客户端，如果在一定时间内，一直超过软性限制，也会关闭客户端。

客户端关闭：1、网络连接关闭 2、发送了不合协议格式的命令请求 3、成为client kill 命令的目标 4、空转时间超时 5、输出缓冲区的大小超出限制

载入aof文件的伪客户端载入完毕后关闭，lua客户端服务器关闭时候关闭。

### **服务器** ###

一个命令从发送到完成的过程

1）客户端将命令发给服务器

2）服务器读取命令请求，解析命令参数

3）命令执行器根据参数查找命令的实现函数，然后执行函数并得到回复

4）服务器将回复发给客户端

Servercron函数默认每隔100ms执行一次，更新服务器状态信息，处理服务器接收到的sigterm信号，管理客户端资源和数据库状态，检查并执行持久化操作等。

服务器启动到能接收命令前到工作：

1）初始化服务器状态

2）载入服务器配置

3）初始化服务器数据结构

4）还原数据库状态

5）执行事件循环

### **复制** ###

redis2.8以前的复制功能无法高效的处理断线后重复制情况，2.8增加了部分重同步解决了这个问题。

部分重同步通过复制偏移量，复制积压缓冲区和服务器运行id三个部分来实现。

复制操作刚开始时，从服务器成为主服务器的客户端，发送命令请求执行复制操作，后期，主从互为客户端。

主向从发送命令来保持一致，从向主发送命令进行心跳检测和命令丢失检测。

### **sentinel** ###

Sentinel只是运行在特殊状态下的服务器，命令表和普通模式下不同。

Sentine会读取指定的配置文件，为要监视的主服务器建立实例结构，并创建连接向主服务器的命令连接和订阅链接，命令连接是发送命令用的，订阅链接是接收指定渠道的信息。

Sentinel通过向主服务器发送info命令获取主服务器下的所有从服务器的信息，并创建实例结构和命令连接和订阅链接。

一般情况下，sentinel按照10s一次的频率向主和从服务器发送info命令，当主下线时候，或者正在对主进行故障转移时，发送频率改为1s一次。

对于监视同一个主和从的多个sentinel来说，他们会每秒一次的频率向被监视的服务的\_sentinel\_:hello频道发送消息来宣告自己的存在。

每个sentinel会从hello频道取信息，并创建实例和**命令**连接，

sentinel与主从创建命令和订阅连接，sentinel之间只创建命令连接。

sentinel以每秒一次的频率向其它的主从和sentinel发送ping命令，并根据回复判断实例是否在线，当一个实例在指定的时长中连续向sentile发送无效回复时，判为主观下线。

当判断主观下线时，会向其它的sentinel询问，看他们是否同意这个主观下线。

当收集到足够多的主观下线时候，会定为客观下线，开始故障转移。

### **集群** ###

节点通过握手将其它节点添加到自己所在的集群

集群中有16384个槽，可以分别指派给集群的各个节点，每个节点都会记录哪些槽分配给了自己，哪些槽被分配给了其它节点。

集群模式下的节点接收一个命令请求，会先看下这个key是否由自己负责，如果不是，返回一个moved错误，会指引客户端转向正在负责该槽点节点。

重新分片由redis-trib负责，主要是将某个槽的所有键值对从一个节点转移到另一个节点。

如果正在迁移，从源节点中没找到要请求的key，返回ask错误，指引客户端去目标节点去找。

moved错误是迁移完成的状态，ask错误是迁移过程中的临时状态。

集群中的节点通过发送消息进行通信，常见的消息有 meet,ping,pong,publish,fail五种。

### **发布和订阅** ###

redis的订阅可以按照消息订阅，也可以按照模式订阅（可以理解为正则表达式），分别保存在不同类型的链表里。

服务器状态在pubsub\_channels字典保存了所有渠道的订阅关系，

服务器状态在pubsub\_patterns字典保存了所有模式的订阅关系，

Publish命令通过访问上述两个字典向订阅者发送消息。

Pubsub的三个子命令都是通过读取这两个字典中的信息实现的。

### **事务** ###

事务可以让一堆命令打包，然后一次性有序的执行。

多个命令会被入队到事务队列中，按照先进先出的方式顺序执行

事务在执行过程中不会中断，当所有消息执行完毕才结束

带有watch命令的事务会将客户端和被监控的key在数据库的watched\_keys中做关联，当key被修改时候，程序会将所有被修改的key的客户端的redis\_dirty\_cas打开。

只有在客户端的redis\_dirty\_cas未被打开时，服务器才会执行客户端提交的事务，否则，拒绝执行事务。

redis的事务总是具有ACI性质，当appendfsync选项值为always时，才具有持久性。

### **lua****脚本** ###

redis会初始化一个lua环境，为了安全去除一些导入文件类等函数，脚本可以执行，可以复制到其他节点，包含script load、script kill、eval、evalsha等。

使用一个伪客户端来执行lua脚本中的redis命令。

服务器在执行脚本之前，会为lua环境设置一个超时处理的钩子，当脚本出现超时运行情况时，客户端可以发送script kill 命令来让钩子停止正在执行的脚本或者发送shutdown nosave 命令来让钩子关闭服务器。

主服务器复制eval, script flush, script load 三个命令的方法和普通的redis命令一样，直接传输即可。

主服务器在复制evalsha时，必须确保所有的从服务器都载入了evalsha命令指定的sha1校验和和lua脚本，如果不能确定，就发送等价的eval命令。

### **排序** ###

redis可以对键值对的值进行排序，可以按照字母顺序，数字顺序，并且可以对结果取限制的几条和进行保存等。

### **二进制位数组** ###

采用倒叙的sds结构的方式存放，采用逆序来保存位数组，简化了setbit命令的实现，首先计算够不够存放，然后设置值。

bitcount的实现可以采用查表法和swar方法去优化执行效率。

bitop命令所有的操作都使用c语言的位操作实现。

### **慢查询日志** ###

用来记录执行超过指定时长的命令。

都记录在slowlog链表中，每个链表节点包含一个slowlogEntry结构，每个结构代表一条慢查询日志。

打印和删除慢查询日志可以通过遍历链表完成。

链表的长度就是保存慢查询的数量。

新的慢查询添加到表头，数量超了会删除。

通过两个参数来控制，一个是slowlog-log-slower-than 单位是微秒，比如超过多少微秒算慢查询，一个是条数 slowlog-max-len，最多可以存多少条慢查询日志，慢查询用先进先出的链表存放，多于这个条数的信息会把最旧的那条删除来存放。

### **监视器** ###

用户发送 monitor 命令后，就可以成为监视器，客户端发来的命令都会发送一份给所有的监视器。

当一个客户端变监视器时候，redis\_monitor表示会被打开。

服务器将所有的监视器都记录到monitors链表中。

每次处理命令请求时，服务器都遍历monitors链表，将相关信息发送给监视器。

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