1 服务器中的数据库

  Redis服务器所有数据库都保存在服务器状态的redisServer结构的db数组中，db数组中的每一项都是一个redisDb结构，每个redisDb结构代表一个数据库：

struct redisServer{
    // ...
    // 服务器数据库数量
    // 在服务器初始化时，程序会根据服务器状态的dbnum属性来决定创建多少个数据库，默认值为16
    int dbnum;
   //   一个数组，保存着服务器中所有数据库
    redisDb *db;
    // ...
}

  默认情况下，dbnum属性的值是16，及Redis服务器默认会创建16个数据库。如下图所示

服务器数据库示例

struct redisClient{
    //...
    // 记录客户端当前正在使用的数据库
    redisDb *db;
    // ...
}

  在默认情况下，客户端的目标数据库：

默认情况下客户端的目标数据库

客户端的目标数据库为1号数据库

2 数据库键空间

  Redis是一个键值对（key value pair）数据库服务器，服务器中的每个数据库都有一个redisDb结构表示，其中redisDb结构中的dict字典保存了数据库所有的键值对，这个字典称为键空间。

struct redisDb{
  
    // ...
    // 数据库键空间，保存着数据库中所有键值对
    dict *dict;
  // ...
}

  键空间的键都是字符串类型。
  键空间的值可以是字符串对象、列表对象、哈希对象、集合对象和有序表对象。
  例如执行以下命令：

redis> set message "hello redis";
OK
redis> rpush alphabet "a" "b" "c";
(integer) 3
redis> hset book name "Redis";
(integer) 1
redis> hset book author "Carlson";
(integer) 1
redis> hset book publisher "Manning";
(integer) 1

  那么数据库的键空间如下图所示：

数据库键空间

  因为数据库的键空间是一个字典，所以所有对数据库的操作，如添加一个键值对或删除一个键值对等，都是通过对键空间字典进行操作来实现的。如下图表示删除键为book的键值对，对于其他操作与之类似。

删除book键后数据库键空间

3 键的生存时间或过期时间

  通过EXPIRE命令或PEXPIRE命令，客户端可以以秒或毫秒精度为数据库某个键设置生存时间（time to live，TTL），经过指定的秒数或毫秒数之后，服务器就会自动删除生存时间为0的键。

 3.1 设置过期时间

  Redis有四个不同的命令用于设置键的生存时间和过期时间：

(1) EXPIRE<key> <ttl>：将键key的生存时间设置为ttl秒。
(2) PEXPIRE<key> <ttl>：将键key的生存时间设置为ttl毫秒。
(3) EXPIREAT<key> <ttl>：将键key的过期时间设置为ttl秒。
(4) PEXPIREAT<key> <ttl>：将键key的生存时间设置为ttl毫秒。

  这四种方法内部都是使用PEXPIREAT命令实现的。

 3.2 保存过期时间

  redisDb结构的expires字典保存了数据库中所有键的过期时间，称这个字典为过期字典：

(1) 过期字典的键是一个指针，指向键空间的某个键对象。
(2) 过期字典的值是一个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——一个毫秒精度的时间戳。

struct redisDb{
  
    // ...
    // 过期字典，保存着键的过期时间
    dict *expires;
  // ...
}

带有过期字典的数据库

4 过期键删除策略

  过期的键会被保存在哈希表中，不会立刻被删除。Redis过期删除策略有三种：
  (1) 定时删除：对内存友好，对CPU不友好。通过创建一个定时器，到过期时间点上就把所有过期的键删除掉。
  (2) 惰性删除：对内存不友好，对CPU友好。每次从键空间取键的时候，判断该键是否过期了，如果过期了就删除该键。
  (3) 定期删除：这是对内存和CPU影响折中的策略。每隔一段时间，程序就对数据库进行一次检查，删除里面过期的键。删除操作执行的时长和频率通过实际业务设置确定。
   Redis服务器使用的是惰性删除和定期删除两种策略：通过配合使用两种删除策略，服务器可以很好的合理使用CPU时间和避免浪费内存之间取得平衡。

5 内存溢出机制

  当Redis所用的内存达到maxmomery上限时会触发相应的溢出控制机制。溢出策略有以下几种：

  内存溢出策略可以根据实际需求灵活定制，如当设置volatile-lru策略时，保证具有过期属性的键可以根据LRU剔除，而未设置过期属性的键可以永远保留。同理，还可以使用allkeys-lru策略把Redis变成纯缓存服务器使用。

6 AOF、RDB和复制功能对过期键的处理

 6.1 生成RDB文件

  执行SAVE命令或BGSAVE命令生成新的RDB文件时，对已经过期的键不会保存到新创建的RDB文件中。
  数据库中包含过期键不会对生成新的RDB文件造成影响。

 6.2 载入RDB文件

(1) 如果服务器以主服务器模式运行，那么载入RDB文件时，只会载入未过期的键，对已经过期的键不会载入到数据库中。
(2) 如果服务器以从服务器模式运行，那么在载入RDB文件时，文件中保存的所有的键，无论是过期还是未过期都会被载入到数据库中。

 6.3 AOF文件写入

  当服务器以AOF持久化模式运行时，如果数据库中的某个键已经过期，但它还没有被惰性删除或者定期删除，那么AOF文件不会因为这个过期键而产生任何影响。
  当过期键被惰性删除或者定期删除之后，程序会向AOF文件追加(append)一条DEL命令，来显式地记录该键已被删除。

 6.4 AOF重写

  和生成RDB文件时类似，对于已经过期的键不会保存到重写后的AOF文件中。

 6.5 复制

  当服务器运行在复制模式下时，从服务器的过期键删除动作由主服务器控制：

(1) 主服务器在删除一个过期键后，会显示地向所有从服务器发送一个DEL命令，告知从服务删除这个过期键。
(2) 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将过期键删除，而是继续像处理未过期的键一样来处理过期键。
(3) 从服务器只有在接到 主服务器发来的DEL命令之后，才会删除过期键。

  通过由主服务器来控制从服务器统一地删除过期键，可以保证主从服务器数据的一致性，也正是因为这个原因，当一个过期键仍然存在于主服务器的数据库时，这个过期键在从服务器里的复制品也会继续存在。
  如有一对主从服务器，它们数据中都保存三个相同的键message、xxx、yyy，其中message为过期键。

小结

(1) Redis服务器所有的数据库都保存在redisServer.db数组中，而数据库的数量则是由redisServer.dbnum属性保存，默认数量是16个。
(2) 客户端通过修改目标数据库的指针来切换不同的数据库，默认使用的是0号数据库。
(3) 数据库的键值对保存在dict字典中，键的过期时间保存在expires数组中。
(4) 过期键的删除策略有定时删除、惰性删除和定期删除三种，Redis服务器使用的是定期删除和惰性删除两种。
(5) Redis内存溢出策略有7中，应该根据实际需求灵活定制。
(6) 执行SAVE和BGSAVE命令生成的RDB文件不会包含过期的键。
(7) AOF重写的文件也不会包含过期的键。当一个过期的键被删除之后，服务器会追加一条DEL命令到现有的AOF文件的末尾，显示的删除过期键。
(8) 当主服务删除一个过期键后，它会向所有从服务器发送一条DEL命令，显示的删除过期键。
(9) 从服务器即使发现过期键也不会删除这个过期键，而是等待主节点发送来DEL命令，这种统一化、中心化的过期策略可以保证主从服务器数据的一致性。
  本文完

  注：本文参考《Redis设计与实现》，如发现错误，请指证！