Redis 内部存储机制详解

一、Redis 概述

Redis (Remote Dictionary Server) 是一个开源的、支持网络的、基于内存亦可持久化的 Key-Value 数据库，使用 ANSI C 语言编写，并提供多种语言的 API。

二、Redis 数据存储结构

2.1 键值对存储基础

当执行 SET myLove Mia 命令时，Redis 内部会进行以下处理：

1. 将 key:myLove 和 value:Mia 包装成一个 dictEntry 对象
2. 创建一个 redisObject 对象来存储值

2.2 dictEntry 结构

dictEntry 是 Redis 存储键值对的基本单元，结构如下：

typedef struct dictEntry {
    // 键
    void *key;
    
    // 值
    union {
        void *val;    // 指向具体redisObject
        uint64_t u64;
        int64_t s64;
    } v;
    
    // 指向下个哈希表节点，形成链表
    struct dictEntry *next;
} dictEntry;

• Redis 内部使用一个大 hashmap 存储数据，通过数组实现 hash
• key 冲突通过链表解决
• 每个 dictEntry 存储一个 key-value 对，value 为 redisObject

2.3 Key 的存储

Key ("myLove") 不是直接以字符串存储，而是存储在 SDS (Simple Dynamic String) 结构中。

2.4 redisObject 结构

Value ("Mia") 存储在 redisObject 中，结构如下：

typedef struct redisObject {
    // 类型 4bits
    unsigned type:4;
    
    // 编码方式 4bits
    unsigned encoding:4;
    
    // LRU 时间(相对于 server.lruclock) 24bits
    unsigned lru:22;
    
    // 引用计数 Redis里面的数据可以通过引用计数进行共享 32bits
    int refcount;
    
    // 指向对象的值 64-bit
    void *ptr;
} robj;

• ptr：指向具体的数据结构地址
• type：表示对象类型（String, List, Hash, Set, Zset 之一）
• encoding：表示底层使用的编码

2.5 Redis 底层数据结构

Redis 对象底层有八种数据结构：

1. REDIS_ENCODING_INT (long 类型的整数)
2. REDIS_ENCODING_EMBSTR (编码的简单动态字符串)
3. REDIS_ENCODING_RAW (简单动态字符串)
4. REDIS_ENCODING_HT (字典)
5. REDIS_ENCODING_LINKEDLIST (双端链表)
6. REDIS_ENCODING_ZIPLIST (压缩列表)
7. REDIS_ENCODING_INTSET (整数集合)
8. REDIS_ENCODING_SKIPLIST (跳跃表和字典)

2.6 查看 redisObject 信息

# 查看 key 对应 value 的 redisObject 类型
type key
type myLove

# 查看 key 对应 value 的 redisObject 详细信息
debug object key
debug object myLove

不同 value 类型在 redisObject 中的表现：

• string 和 int 类型的 type 可能相同，但 encoding 不同

三、Redis 持久化机制

3.1 RDB 持久化

• 将数据以二进制形式写入磁盘文件
• 默认持久化方式

3.2 AOF 持久化

AOF (Append Only File) 持久化记录所有会更改 Redis 数据的命令：

1. 配置 (redis.conf)：

   appendonly yes
   dir ./
   appendfilename appendonly.aof
   

2. 同步过程：

   • 命令传播：Redis 将执行完的命令、参数等信息发送到 AOF 程序
   • 缓存追加：AOF 程序将命令转换为 RESP 协议格式，追加到 AOF 缓存
   • 文件写入和保存：AOF 缓存内容写入文件，满足条件时调用 fsync 保存到磁盘

3. RESP 协议：

   • Redis 客户端与服务器通信的序列化协议
   • 通过特殊符号区分数据类型：
     • +：单行回复
     • -：错误回复
     • :：整数回复
     • $：批量回复
     • *：多条批量回复

4. 示例：

   • 命令：SET myLove "Mia"
   • 请求数据：*3\r\n$3\r\nSET\r\n$6\r\nmyLove\r\n$3\r\nMia\r\n
   • 响应数据：+OK\r\n

5. 文件保存：

   • flushAppendOnlyFile 函数执行：
     • WRITE：将 aof_buf 缓存写入 AOF 文件
     • SAVE：调用 fsync 将文件保存到磁盘

四、键过期机制

4.1 设置键过期时间

EXPIRE myLove 999999999

4.2 过期字典

• RedisDb 结构中的 expires 字典保存所有键的过期时间
• 过期字典的 key 是指向键空间某个键对象的指针
• 过期字典的 value 是 long 类型整数，表示键的过期时间（毫秒级 UNIX 时间戳）

4.3 过期键判定

1. 检查 key 是否存在于过期字典中
2. 获取 key 的过期时间，判断当前 UNIX 时间戳是否大于过期时间

4.4 过期键删除策略

1. 惰性删除：

   • 由 expireIfNeeded 函数实现
   • 所有读写命令执行前都会调用此函数检查输入键
   • 如果键已过期则删除，未过期则不处理

2. 定期删除：

   • 由 activeExpireCycle 函数实现
   • 服务器周期性操作时调用
   • 在规定时间内分多次遍历数据库，随机检查部分键的过期时间并删除过期键

五、键删除操作

DEL myLove

注意：某些情况下键可能无法被删除（如被引用计数保护的数据）