Redis - 對象結構

簡介

Redis 使用對象存儲資料庫中的鍵和值，每當在 Redis 中創建一個新的鍵值對時，都會創建兩個對象：一個是鍵對象，另一個是值對象。

其中，Redis 的每種對象都由對象結構和對應編碼的數據結構組合而成，而每種對象類型對應若幹編碼方式，不同編碼方式對應的底層數據結構也會有所不同。

資料庫結構

Redis 伺服器的資料庫都保存在 redisServer 的 db 數組中，數組中的每個項都是 redisDb 結構，每個 redisDb 結構代表一個資料庫。

下麵是部分 redisServer 結構：

struct redisServer {
    redisDb *db;    // 保存資料庫的數組
    int dbnum;      // 伺服器的資料庫數量
    // ...
};

其中，初始化伺服器時，會根據 dbnum 的值決定創建多少個資料庫。預設情況下，dbnum 的值是 16。

切換資料庫

預設情況下，Redis 客戶端的目標資料庫是 0 號資料庫，但是客戶端可以使用 SELECT 命令切換目標資料庫。

需要註意的是，Redis 現在沒有向客戶端返回目標資料庫的命令，對資料庫進行誤操作極易出現不符合預期的情況，尤其是像 FLUSHDB 這樣的命令。

比較好的做法是儘量少地在代碼中切換資料庫，即使是在命令行操作，也儘量顯式地切換到指定的資料庫，然後再執行命令。

資料庫鍵空間

每一個資料庫中都存儲了一個字典，這個字典存儲了資料庫中的所有鍵值對，這個字典又被稱為鍵空間。

所有對資料庫中鍵值對的增刪查改操作，實際上都是在操作鍵空間字典。

只是，由於資料庫可以存儲多種不同的數據結構類型，這些增刪查改操作，都會使用對應數據結構提供的函數執行。

讀寫鍵空間的維護操作

當使用 Redis 命令對鍵空間字典進行讀寫操作時，伺服器不僅會執行這些讀寫操作，還會做一些維護性的操作，提高 Redis 的可用性，其中包括：

• 讀取一個鍵時，伺服器會根據鍵是否存在來更新鍵空間命中次數和不命中次數
• 讀取到一個鍵之後，伺服器會更新這個鍵的 lru 屬性
• 如果伺服器讀取到鍵之後，發現這個鍵已經過期，會先刪除這個鍵，再執行後續的操作
• 如果有客戶端使用 WATCH 命令監視這個鍵，伺服器修改這個鍵之後，會將這個鍵標記為 dirty 狀態
• 伺服器每次修改一個鍵之後，都會對臟計數器的值增 1，這個計數器會觸發伺服器的持久化或複製操作
• 如果伺服器開啟了通知功能，那麼對這個鍵做修改操作之後，伺服器將按配置發送對應的資料庫通知

類型與編碼

Redis 中的每個對象都是由一個 redisObject 結構表示，其結構如下：

typedef struct redisObject {
    unsigned type:4;        // 類型
    unsigned encoding:4;    // 編碼
    unsigned lru:LRU_BITS;  // 記錄最後訪問的時間
    int refcount;           // 引用計數
    void *ptr;              // 指向底層實現數據結構的指針
} robj;

其中 type、encoding 和 ptr 是最重要的三個屬性。

數據類型

對象的 type 屬性記錄了數據結構的類型，它總是以下枚舉值之一：

• REDIS_STRING
• REDIS_LIST
• REDIS_HASH
• REDIS_SET
• REDIS_ZSET

對象編碼

對象的 encoding 屬性記錄了 ptr 指針指向對象的編碼方式，它總是以下枚舉值之一：

• OBJ_ENCODING_RAW
• OBJ_ENCODING_INT
• OBJ_ENCODING_HT
• OBJ_ENCODING_ZIPMAP
• OBJ_ENCODING_LINKEDLIST
• OBJ_ENCODING_ZIPLIST
• OBJ_ENCODING_INTSET
• OBJ_ENCODING_SKIPLIST
• OBJ_ENCODING_EMBSTR
• OBJ_ENCODING_QUICKLIST
• OBJ_ENCODING_STREAM

通過使用 encoding 屬性設定對象的編碼方式，而不是使用固定編碼，這樣極大地提高了 Redis 的靈活性和效率，也方便 Redis 針對不同的場景選擇不同的編碼，針對性地做優化。

對象指針

對象的 ptr 屬性是一個指針，指向實際保存值的數據結構。

空轉時間

對象的 lru 屬性記錄了對象最後一次被命令程式訪問的時間。空轉時間指的是當前時間減去 lru 屬性得到的時長，即未被訪問的時長。

鍵的空轉時間在記憶體回收演算法是 volatile-lru 或 allkeys-lru 時使用到，當伺服器占用的記憶體超過了 maxmemory 之後，空轉時長較高的那部分鍵會優先被伺服器釋放，從而回收記憶體。

命令執行流程

Redis 中用於操作鍵的命令分為兩類：任何類型的鍵都可以執行的命令、針對特定類型的鍵可執行的命令。例如 DEL、EXPIRE 等命令屬於前者，SET、HSET 等命令屬於後者。

針對特定類型的鍵的執行命令，執行前需要檢查鍵的類型，確定當前鍵是否可執行當前命令。

在 Redis 中，一個數據類型有可能對應多個編碼方式，在檢查完鍵的類型之後，還需要根據數據類型的不同編碼進行多態處理。

因此，當處理一個特定類型命令的時候，執行的步驟如下：

• 根據給定的 key 名稱，在資料庫字典中查找相對應的 Redis 對象，如果沒有找到，返回 NULL 值
• 檢查 Redis 對象中的 type 屬性和執行命令所需的類型是否相符，如果不相符，返回類型錯誤
• 根據 Redis 對象中的 encoding 屬性選擇合適的操作函數來處理底層數據結構
• 將操作函數的返回值作為命令請求的響應返回給客戶端

對象共用

目前，為瞭解決重覆分配的麻煩，Redis 會在初始化伺服器時創建一萬個字元串對象，這些對象包含了從 0 到 9999 的所有整數值，當伺服器需要用到值為 0 到 9999 的字元串對象時，伺服器就會使用這些共用對象，而不是創建新的對象。

儘管共用更複雜的對象可以節約更多的記憶體，但受到 CPU 時間的限制，Redis 只對包含整數值的字元串對象進行共用。

需要註意的是，共用對象只能被字典和雙向鏈表這類能帶有指針的數據結構使用。

記憶體回收

因為 C 語言並不具備自動記憶體回收功能，所以 Redis 在自己的對象系統中構建了一個引用計數技術實現記憶體回收機制。通過這個記憶體回收機制，Redis 可以通過對象的引用計數信息，在適當的時候自動釋放對象併進行記憶體回收。

對象的引用計數信息通過 refcount 屬性記錄，其使用如下：

• 當創建新對象時，引用計數的值會初始化為 1
• 當這個對象被共用時，引用計數的值會自增
• 當使用完一個對象後，或者消除對這個對象的引用之後，引用計數的值會自減
• 當對象的引用計數值變為 0 時，對象所占用的記憶體會被釋放

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