redis存储原理与数据模型学习笔记

1 redis线程模型

1.1 线程组成

redis-server
命令处理
网络事件的监听
bio close file 异步关闭大文件
bio aof fsync 异步 aof 刷盘
bio lazy free 异步清理大块内存
io thd * io 多线程
emalloc bg thd jemalloc 后台线程

1.2 redis命令处理是单线程

单线程为什么快？

2 redis db 存储分析

2.1 先了解代码

server.h

/* Redis database representation. There are multiple databases identified
 * by integers from 0 (the default database) up to the max configured
 * database. The database number is the 'id' field in the structure. */
typedef struct redisDb {
    dict *dict;                 /* The keyspace for this DB */
    dict *expires;              /* Timeout of keys with a timeout set */          ---->  自动过期的key
    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 */   ---->  事物操作时有用到的  watch
    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. */
    clusterSlotToKeyMapping *slots_to_keys; /* Array of slots to keys. Only used in cluster mode (db 0). */
} redisDb;

dict *dict：指向字典对象的指针，用于存储键值对数据。字典是Redis中的核心数据结构，用于快速查找和访问键值对。
dict *expires：指向字典对象的指针，用于存储键的过期时间。当键设置了过期时间时，会将键和其对应的过期时间存储在这个字典中。
dict *blocking_keys：指向字典对象的指针，用于存储被阻塞的键。当某个客户端在执行阻塞操作时，将被阻塞的键存储在这个字典中。
dict *ready_keys：指向字典对象的指针，用于存储状态已改变的键。当某个键的值在被其他操作修改后，将把该键存储在这个字典中。
dict *watched_keys：指向字典对象的指针，用于存储被监视的键。当某个事务中的键被监视时，将被监视的键存储在这个字典中。
int id：表示数据库的ID。
long long avg_ttl：表示数据库中所有键的平均过期时间。
unsigned long expires_cursor：用于过期键的迭代游标。
list *defrag_later：指向链表对象的指针，用于存储需要碎片整理的键。
clusterSlotToKeyMapping *slots_to_keys：用于集群模式下的槽位和键的映射。

dict.h

struct dict {
    dictType *type;

    dictEntry **ht_table[2];
    unsigned long ht_used[2];

    long rehashidx; /* rehashing not in progress if rehashidx == -1 */

    /* Keep small vars at end for optimal (minimal) struct padding */
    int16_t pauserehash; /* If >0 rehashing is paused (<0 indicates coding error) */
    signed char ht_size_exp[2]; /* exponent of size. (size = 1<<exp) */
};

注意 dictEntry **ht_table[2];

2.2 从kv存储分析

怎么从key定位到value?
哈希原理：
数组 + hash(key) % 数组长度 ===>确定value存储位置 参考https://blog.csdn.net/qq43645149/article/details/131242533 的3.3节

1. 字符串key经过 hash 函数运算得到 64 位整数；
2. 相同字符串key多次通过 hash 函数得到相同的 64 位整数；
3. 整数对 取余可以转化为位运算；
4. 抽屉原理 n+1个苹果放在 n 个抽屉中，苹果最多的那个抽屉至少有 2 个苹果；
   64位整数远大于数组的长度，比如数组长度为 4，那么 1、5、9、1+4n 都是映射到1号位数组；所以大概率会发生冲突；

ht_table二维指针，这里可以理解为指针数组，对应哈希存储数组 ht 的每一个槽位ht[i] 挂的是一个链表
ht_table[2]中的2，怎么理解？ht的槽位成对出现，ht[1]是为扩容备用的。

避免冲突，使用强随机函数siphash, 然后就是 扩容

unsigned long ht_used[2]; 用来保存ht[0], ht[1]的长度，用2的n次幂表示size，
这样hash(key) % size 取余运算就可以优化为位运算：hash(key) & (2^-1) 。

怎么判断扩容呢？

2.3 负载因子

负载因子 = used / size；used 是数组存储元素的个数，
size 是数组的长度；
负载因子越小，冲突越小；负载因子越大，冲突越大；
redis 的负载因子是 1；

如果负载因子 > 1，则会发生扩容；扩容的规则是翻倍；
如果正在 fork （在 rdb、aof 复写以及 rdb-aof 混用情况下）时，会阻止扩容；但是此时若负载因子 > 5，
索引效率大大降低， 则马上扩容；这里涉及到写时复制原理；

如果负载因子 < 0.1，则会发生缩容；缩容的规则是恰好包含used 的 ；
恰好的理解：假如此时数组存储元素个数为 9，恰好包含该元素的就是 ，也就是 16；

这里有一个问题，当执行scan命令的时候，突然发生扩容或者缩容怎么办？

127.0.0.1:6379> SET key1 "value1"
OK
127.0.0.1:6379> SET key2 "value2"
OK
127.0.0.1:6379> SET key3 "value3"
OK
127.0.0.1:6379> SCAN 0 MATCH key* COUNT 100       
1) "13"    // 游标值
2) 
   1) "key3"
   2) "key2"
   3) "key1"    // 匹配模式为key*，返回所有以key开头的键

2.4 渐进式rehash机制

源码位置：
./redis-main/src/dict.c:211:int dictRehash(dict *d, int n)

当 hashtable 中的元素过多的时候，不能一次性 rehash 到ht[1]；这样会长期占用 redis，其他命令得不到响应；所以需
要使用渐进式 rehash；
rehash步骤：
将 ht[0] 中的元素重新经过 hash 函数生成 64 位整数，再对ht[1] 长度进行取余，从而映射到 ht[1]；
渐进式规则：

1. 分治的思想，将 rehash 分步到之后的每步“增、删、查”的操作当中；
2. 在定时器中，最大执行一毫秒 rehash ；每次步长 100 个数组槽位； （避免命令单线程阻塞）
   处于渐进式rehash阶段不会发生扩容缩容。
   对应源码:

dictEntry *dictAddRaw(dict *d, void *key, dictEntry **existing)
static dictEntry *dictGenericDelete(dict *d, const void *key, int nofree)
dictEntry *dictFind(dict *d, const void *key)
dictEntry *dictGetRandomKey(dict *d)

/* Rehash in ms+"delta" milliseconds. The value of "delta" is larger 
 * than 0, and is smaller than 1 in most cases. The exact upper bound 
 * depends on the running time of dictRehash(d,100).*/
int dictRehashMilliseconds(dict *d, int ms) {
    if (d->pauserehash > 0) return 0;

    long long start = timeInMilliseconds();
    int rehashes = 0;

    while(dictRehash(d,100)) {
        rehashes += 100;
        if (timeInMilliseconds()-start > ms) break;
    }
    return rehashes;
}

数据访问scan

通过往高位加1，往低位进1的方式遍历，如下图

为什么2对应2和6？因为6%4=2, 6%8=6, 当key时2，6的时候，size=4, key%size = 2。
为什么要用这种访问方式呢？==> 可以确保“扩容”或"缩容的时候“ 可以访问正确遍历完所有的数据（两次缩容或扩容处理不了）。

27.0.0.1:6379> set aa 1
OK
127.0.0.1:6379> set bbb 2
OK
127.0.0.1:6379> set ccccc 3
OK
127.0.0.1:6379> set ddddddddddddd 4
OK
127.0.0.1:6379> keys *
1) "ddddddddddddd"
2) "ccccc"
3) "aa"
4) "bbb"
127.0.0.1:6379> scan 0 match * count 1
1) "2"  # 这里提示下一个是2
2) 1) "ddddddddddddd"
# 这个时候，在另外一个终端 执行：127.0.0.1:6379> set ffffffffffffffffff 5
# OK
127.0.0.1:6379> scan 2 match * count 1
1) "6"  # 这里提示下一个是6，假装扩容了
2) 1) "ffffffffffffffffff"
127.0.0.1:6379> scan 6 match * count 1
1) "1"
2) 1) "bbb"
127.0.0.1:6379> scan 1 match * count 1
1) "5"  # ？ aa ccccc 一起出来了?
2) 1) "aa"
   2) "ccccc"
127.0.0.1:6379> scan 5 match * count 1
1) "0"
2) (empty array)

aa 与 ccccc 一起出来，aa, ccccc这里是什么存储结构呢？

127.0.0.1:6379> keys *
1) "aa"
2) "ccccc"
3) "ffffffffffffffffff"
4) "ddddddddddddd"
5) "bbb"

3 数据模型分析

数据量小或少的时候，用简单的数据结构，反之用较为复杂的数据结构。

以zset为例

在 redis.conf 可以查找到相关的定义：
zset-max-listpack-entries 128
zset-max-listpack-value 64
然后在t_zset.c中找到 createZsetObject 与 createZsetListpackObject，可加断点调试。

 /* Lookup the key and create the sorted set if does not exist. */
    zobj = lookupKeyWrite(c->db,key);
    if (checkType(c,zobj,OBJ_ZSET)) goto cleanup;
    if (zobj == NULL) {
        if (xx) goto reply_to_client; /* No key + XX option: nothing to do. */
        if (server.zset_max_listpack_entries == 0 ||
            server.zset_max_listpack_value < sdslen(c->argv[scoreidx+1]->ptr))
        {
            zobj = createZsetObject();           // OBJ_ENCODING_SKIPLIST
        } else {
            zobj = createZsetListpackObject();  // OBJ_ENCODING_LISTPACK
        }
        dbAdd(c->db,key,zobj);
    }

当元素过大，或者list过长，转换为跳表。

 /* check if the element is too large or the list
             * becomes too long *before* executing zzlInsert. */
            if (zzlLength(zobj->ptr)+1 > server.zset_max_listpack_entries ||
                sdslen(ele) > server.zset_max_listpack_value ||
                !lpSafeToAdd(zobj->ptr, sdslen(ele)))
            {
                zsetConvert(zobj,OBJ_ENCODING_SKIPLIST);  // 转换为跳表
            } else {
                zobj->ptr = zzlInsert(zobj->ptr,ele,score);
                if (newscore) *newscore = score;
                *out_flags |= ZADD_OUT_ADDED;
                return 1;
            }

对应1.2节中的：

跳表

方便范围查询，多层级有序链表，让其实现二分查找的效率，缺点占用的内存空间会多50%。

这里用一个比较特殊的例子（完美跳表，第二层是从第一层每隔一个元素取一个，第三层也是从第二层每隔一个元素取一个。。。）理解一下，如下图，要访问节点12，第一层常规的遍历方法用的次数明显比蓝色箭头用的次数要多。
但是优势不明显，但如果是找节点10，跳表只需比较一次。平均下来接算法复杂度接近于$$O({\log }_{2}n)$$
注意第一层是有序链表，跳表是从最高层往底层跳，从而找到目标。

上面的跳表在增加或删除元素时，需要重新构建跳表，效率比较低。
非完美跳表，插入节点会用随机层数的方式，这样第二层对于第三层就可能不会是“每隔一个节点提取一个元素了”，相邻的元素可能会被直接提取到上一层，更高层也是。
另外一个例子：插入17

另外，为了快速的索引到某个节点，zset还引入了字典功能，帮助快速的索引到节点。结构图如下：

文章参考与<零声教育>的C/C++linux服务期高级架构系统教程学习:链接文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-499312.html

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