前言
深入了解一下Redis内存机制如何存储数据，以及对于过期数据采取何种策略来清理。
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目录一、Redis服务器中的数据库
Redis服务器将所有的数据库保存在 redis.h/redisServer 结构的 db 数组中，db 数组的每个项都是一个 redis.h/redisDb 结构，每个 redisDb 结构代表一个数据库。另外Redis中数据库的数量由 dbnum指定，默认为16。
struct redisServer {
//一个数组，保存着服务器中所有的数据库
redisDb *db;
//服务器的数据库数量，默认为16
int dbnum;
}
客户端状态的 redis.h/redisClient 结构的 db 属性记录了客户端当前的目标数据库，这个属性是一个指向 redisDb 结构的指针。redisClient.db 指针指向 redisServer.db 数组中的一个元素，而被指向的元素就是客户端的目标数据库。
typedef struct redisClient {
//记录客户端当前正在使用的数据库
redisDb *db;
}
常见的 SELECT xxx 切换数据库指令的实现原理就是通过修改 redisClient.db 指针，让它指向服务器中的不同数据库，从而实现切换目标数据库的功能。
二、数据库键空间
2.1 数据存储——键空间 dict
redisDb 数据库结构中的 dict 字典保存了数据库中的所有键值对，我们称这个字典为键空间。
键空间的键就是数据库的键，均为字符串对象；键空间的值对应着Redis 的几种数据结构类型(字符串对象、列表对象、哈希表对象、集合对象、有序集合对象)。
typedef struct redisDb {
// 数据库键空间，保存了数据库中所有的键值对
dict *dict;
} redisDb;
2.2 键的生存时间——过期字典expires
2.2.1 设置过期时间
EXPIRE <key> <ttl>：将键的生存时间设置为 ttl 秒；PEXPIRE <key> <ttl>：将键的生存时间设置为 ttl 毫秒；EXPIREAT <key> <timestamp>：将键 key的过期时间设置为 timestamp 所指定的秒数时间戳；PEXPIREAT <key> <timestamp>：将键 key 的过期时间设置为 timestamp 所指定的毫秒数时间戳。
2.2.2 保存过期时间
redisDb 结构中的 expires 字典保存了数据库中所有键的过期时间，这个字典被称为过期字典。
过期字典的键是一个指针，指针指向键空间中的某个键对象（也就是某个数据库键）；
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，是一个毫秒精度的UNIX时间戳。
typedef struct redisDb {
//过期字典
dict *expires;
}
2.2.3 移除过期时间
PERSIST xxx 命令可以移除一个键的过期时间，该命令在过期字典中查找给定的键，并解除键和值在过期字典中的关联。
三、过期键的删除策略
Redis 中包含三种过期键的删除策略：定时删除、惰性删除、定期删除
3.1 定时删除
在设置键的过期时间的同时，创建一个定时器 (timer)，让定时器的过期时间来临时，能够立即执行对键的删除操作。
- 优点：
定时删除对内存是最友好的，使得过期的键能够尽快被删除，并且释放掉过期键所占用的内存； - 缺点：
(1) 对于CPU时间最不友好，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的CPU时间。在内存不紧张但是CPU时间非常紧张的情况下，会对服务器的响应时间和吞吐量造成影响。
(2) 创建一个定时器需要用到Redis服务器中的时间事件，而时间事件的实现方式是无序链表，查找一个事件的时间复杂度为O(N)，并不能高效处理大量时间事件。
3.2 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，否则返回该键。
- 优点：
对于CPU时间是最友好的，只有在取出键的时候才会检查键是否过期； - 缺点：
对内存不友好，会造成大量过期无用的键占用内存，如果一直得不到回收就会造成内存泄漏。
3.3 定期删除
是定时删除和惰性删除的整合和折中。
定期删除每隔一段时间执行一次删除过期键的操作，并且通过限制删除操作的执行时长和频率来减少删除操作对于CPU 时间的影响，同时减少了因为过期键带来的内存占用。
四、Redis的过期键删除策略
Redis采用惰性删除和定期删除策略来实现过期键的删除
4.1 惰性删除策略的实现
惰性删除策略由 db.c/ expireIfNeeded 函数来实现，所有读写数据库的Redis命令在执行前都会调用 expireIfNeeded 函数对输入的键进行检查。如果检查发现输入的键已经过期，那么会将输入的键从数据库中删除；否则什么也不做，继续执行命令。总的来说 expireIfNeeded 函数相当于一个过滤器，在真正的命令执行前过滤掉过期的输入键，从而避免命令接触到过期键。
4.2 定期删除策略的实现
Redis 定期删除策略是通过函数 redis.c/ activeExpireCycle 来实现的，每当 Redis 服务器的周期性操作 redis.c/ serverCron函数执行时，activeExpireCycle 函数就会被调用，在规定时间内分多次遍历服务器中的各个数据库，从数据库的过期字典中随机检查一部分键的过期时间，并删除其中过期的键。
activeExpireCycle 函数伪代码：
函数实现时定义了默认每次检查数据库的数量为16，默认每个数据库检查键的数量为20，同时定义了一个 全局变量current_db来记录当前函数的检查进度，并在下一次 activeExpireCycle函数调用时接着上一次的进度进行处理。并且随着函数的不断调用执行，当所有数据库检查完毕后将 current_db值重置为0，再开始进行新一轮检查。
五、AOF、RDB持久化和复制功能对过期键的处理
5.1 生成RDB文件
在执行 SAVE 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，已过期的键不会保存到新创建的 RDB 文件中。因此数据库中包含过期键不会对生成新RDB文件造成影响。
5.2 载入RDB文件
在启动Redis服务器时会恢复数据，载入 RDB文件，但是对于主从服务器处理过期键的策略不同：
- 如果是主服务器模式运行，载入时程序会检查文件中保存的键，未过期的键会被载入到数据库中，而过期键则会被忽略，所以对于主服务器没有影响；
- 如果时从服务器模式运行，载入时不管过期与否都会保存所有的键。但是因为主从服务器在进行数据同步时从服务器的数据库会被清空，所以也不会受到影响。
5.3 AOF文件写入
如果数据库中的某个键已经过期但是还没有被删除，那么AOF文件会照常记录。但是当过期键被惰性删除或者定期删除时，程序会向AOF文件追加一条DEL命令，来显式地记录该键已经被删除。
比如说客户端使用 GET message 命令试图访问过期的键 message，那么服务器会执行以下三个动作：
- 从数据库中删除 message键；
- 追加一条 DEL message 命令到 AOF文件中；
- 返回空结果给客户端。
5.4 AOF重写
和RDB类似，在执行AOF重写过程中，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结果AOF文件中。
5.5 复制
主从模式下，从服务器的过期键删除动作由主服务器控制，这样才能保证主从服务器的数据的一致性：
- 主服务器在删除一个过期键后会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删除，而是继续像处理未过期键一样来处理过期键。
- 从服务器只有在接收主服务器发来的DEL命令后，才会删除过期键。
六、数据库通知
6.1 通知分类
数据库通知能够实现客户端订阅给定频道或者模式，来获知数据库中键的变化，以及数据库中命令的执行情况。
通知分为两种，一种是关注 "某个键执行了什么命令"，叫做键空间通知；另外一种是 "某个命令被什么键执行了"，叫做键事件通知。
SUBSCRIBE __keyspace@0__:message：针对键message的键空间通知；
SUBSCRIBE __keyevent@0__:del：针对命令del的键事件通知；
6.2 通知发送
发送数据库通知的功能是由 notify.c/notifyKeyspaceEvent 函数实现的，其中服务器配置的 notify-keyspace-events选项决定了服务器所发送通知的类型，可以配置的类型如下：
- 服务器发送所有类型的键空间通知和键事件通知，设置为 AKE；
- 服务器发送所有类型的键空间通知，设置为AK；
- 服务器发送所有类型的键事件通知，设置为AE；
函数 notifyKeyspaceEvent(int type, char *event, robj *key, int dbid)，type指明发送的通知类型，event指明事件名称，key指明产生事件的键，dbid指明产生事件的数据库号码。
