Redis数据库——键空间

一.服务器中的数据库

Redis服务器将所有数据库都保存在服务器状态redis.h/redisServer结构的db数组中，db数组的每一个项都是一个redis.h/redisDb结构，每一个RedisDb结构代表一个数据库。

在初始化服务器时，程序会根据服务器状态的dbnum属性来决定应该创建多少个数据库。

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 */
    unsigned long expires_cursor; /* Cursor of the active expire cycle. */
    list *defrag_later;         /* List of key names to attempt to defrag one by one, gradually. */
} redisDb;

struct redisServer {
    /* General */
    pid_t pid;                  /* Main process pid. */
    pthread_t main_thread_id;         /* Main thread id */
    char *configfile;           /* Absolute config file path, or NULL */
    char *executable;           /* Absolute executable file path. */
    char **exec_argv;           /* Executable argv vector (copy). */
    int dynamic_hz;             /* Change hz value depending on # of clients. */
    int config_hz;              /* Configured HZ value. May be different than
                                   the actual 'hz' field value if dynamic-hz
                                   is enabled. */
    mode_t umask;               /* The umask value of the process on startup */
    int hz;                     /* serverCron() calls frequency in hertz */
    int in_fork_child;          /* indication that this is a fork child */
    //数据库数组
    redisDb *db;
    ...
    ...
    int dbnum;                      /* Total number of configured DBs */
    ...
    ...
};

dbnum属性的值有服务器配置的database选项决定，默认情况下该选项的值为16，所以Redis服务器默认会创建16个数据库。

二. 切换数据库

每一个Redis客户端都有自己的目标数据库，每当客户端执行数据库写命令或者数据库读命令的时候，目标数据库就会成为这些命令的操作对象。

默认情况下，Redis客户端的目标数据库为0号数据库，但客户端可以通过执行select命令来切换目标数据库。

在服务器内部，客户端的状态client结构的db属性记录了客户端当前的目标数据库，这个属性是指向redisServer.redisDb结构的指针。

typedef struct client {
    uint64_t id;            /* Client incremental unique ID. */
    connection *conn;
    int resp;               /* RESP protocol version. Can be 2 or 3. */
    //记录当前正在使用的数据库
    redisDb *db;            /* Pointer to currently SELECTed DB. */
    ...
    ...
}client;

client.db指针指向redisServer.db数组的其中一个元素，而被指向的元素就是客户端的目标数据库。

select的实现原理：通过修改client.db指针，让它指向服务器不同的数据库，从而实现切换目标数据库的功能。

目前，Redis仍然没有可以返回客户端目标数据库的命令，虽然redis-cli客户端在输入符旁边提示当前所使用的目标数据库。

但是，你在其他语言的客户端中执行redis命令，并且该客户端好像没有向redis-cli那样显示目标数据库的号码，在多次切换数据库之后，你可能会忘记当前使用的哪个数据库。

为了避免误操作，在执行Redis命令，特别向FLUSHDB这样的危险命令前，最好先执行一个select命令，显示的切换到指定数据库，然后再执行别的命令。

三.数据库的键空间

Redis是一个键值对数据库服务器，服务器中的每一个数据库是由一个redis.h/redisDb结构表示。其中redisDb结构中的dict字典保存了数据库中的所有键值对，我们简称这个字典为键空间。

typedef struct redisDb {
    //键空间
    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 */
    unsigned long expires_cursor; /* Cursor of the active expire cycle. */
    list *defrag_later;         /* List of key names to attempt to defrag one by one, gradually. */
} redisDb;

键空间和用户所见到的数据库是直接对应的：

键空间的键也就是数据库的键，每一个键都是一个字符串对象。
键空间的值也就是数据库的值，每一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。

举个例子：

127.0.0.1:6379> set message "hello world"
OK
127.0.0.1:6379> rpush alphabet "a" "b" "c"
(integer) 3
127.0.0.1:6379> hset book name "Redis in Action"
(integer) 1
127.0.0.1:6379> hset book author "Josiah L. Carlson" publisher "Manning"
(integer) 2
127.0.0.1:6379>

messge是一个字符串键，键的名字是一个包含字符串messge的字符串对象，键的值是一个包含字符串"hello world"的字符串对象。
alphabet是一个列表键，键的名字是一个包含字符串alphabet的字符串对象，键的值是一个包含三个元素的列表对象。
book是一个哈希键，键的名字是一个包含字符串book的字符串对象，键的值是一个包含三个键值对的哈希表对象。

3.1 数据库的增删查改

因为数据库的键是一个字典，所以对数据库的增删查改，实际是对字典的增删查改。

3.1.1添加新建

添加一个新的键值对到数据库，实际上就是将一个新键值对添加到键空间字典中，其中键为字符串对象，而值为Redis任意一种类型的Redis对象。

比如：

127.0.0.1:6379> set date "2023.12.1"
OK

添加一个新键值对，键是一个值为date字符串的字符串对象，键的值为2023.12.1字符串的字符串对象。

3.1.2 删除键

删除数据库中的一个键，实际上就是在键空间里面删除键所对应的键值对对象。就是删除字典中的一个节点。

127.0.0.1:6379> del book
(integer) 1

3.1.3 更新键

对一个数据库键进行更新，实际上就是对键空间里面键对应的值对象进行更新，根据值对象的类型不同，更新的具体方法也会不同。

127.0.0.1:6379> get message
"hello world"
127.0.0.1:6379> set message "blah blah"
OK
127.0.0.1:6379> get message
"blah blah"

上面是对数据库键message对应的值"hello world"字符串修改成了"blah blah"字符串。

127.0.0.1:6379> hset book page 320
(integer) 1
127.0.0.1:6379>

上面是修改数据库键book对应的值哈希对象，新加一个节点键为page，值为320。

3.1.4 对键取值

对一个数据库键进行取值，实际上就是对键空间里面取出键所对应的值对象，根据值对象的类型不同，更新的具体方法也会不同。

127.0.0.1:6379> get message
"hello world"

get命令首先在键空间(client.db)中查找键message，找到键后，去到该键对应的字符串对象，之后返回值对象所包含的字符串"hello world"

127.0.0.1:6379> lrange alphabet 0 -1
1) "a"
2) "b"
3) "c"
127.0.0.1:6379>

lrange命令首先在键空间(client.db)中查找键alphabet，找到键后，去到该键对应的列表对象值，之后返回列表对象中包含的三个字符串对象的值。

3.1.5 其他键空间操作

除了增删查改操作外，还有针对数据库本身的Redis命令，也是通过键空间进行处理完成的。

FLUSHDB：通过删除键空间的所有键值对实现的
RANDOMKEY：通过在键空间随机返回一个键实现的
DSSIZE：返回键空间中包含的键值对的数量

其他命令exits，rename，keys等，都是通过对键空间进行操作来实现的。

3.1.6 读写键空间的维护操作

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，还会执行额外的维护操作。

在读取一个键时(读操作和写操作都会对键进行读取)，服务器会更具键是否存在来更新服务器的键的空间命中(hit)次数或键的空间不命中次数，可以通过命令info stats命令的keyspace_hits属性和keyspce_misses属性查看。
在读取一个键后。服务器会更新一个键的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 <key>命令来查看键key的闲置时间。
如果服务器在读取一个键发现该键已经过期，那么服务器会先删除这个过期键，然后执行余下操作。
如果客户端使用watch监视一个键，当服务器对监视的键进行修改后，会把这个键标记为脏(dirty)，从而让事务注意到这个键已经被修改过。
服务器每修改一个键之后，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后，服务器将按配置发送相应的数据库通知。