本章主要来介绍一下Redis的数据库对象，主要关注Redis对于存储在服务器中的键值对数据如何进行管理。
Redis中的数据库是一个redisDb结构体的对象。首先先来看一下客户端、服务器与数据库的关系，服务器中有一个变量保存这redisDb数组，默认情况下会创建16个对象，客户端有一个redisDb指针，指向所对应的数据库，同时可以用SELECT命令切换数据库。
Redis中的键空间
Redis中的键空间就是redisDb的dict成员变量，其是一个字典类型，用于存储数据库中的键值对，简单而言，dict的键对象就存储数据库中的键，dict的值对象就存储数据库中的值。blocking_keys是阻塞状态的键，ready_keys是可以解除阻塞的键，watched_keys是正在被监视的key等。
typedef struct redisDb {
// 数据库键空间，保存着数据库中的所有键值对
dict *dict; /* The keyspace for this DB */
// 键的过期时间，字典的键为键，字典的值为过期事件 UNIX 时间戳
dict *expires; /* Timeout of keys with a timeout set */
// 正处于阻塞状态的键
dict *blocking_keys; /* Keys with clients waiting for data (BLPOP) */
// 可以解除阻塞的键
dict *ready_keys; /* Blocked keys that received a PUSH */
// 正在被 WATCH 命令监视的键
dict *watched_keys; /* WATCHED keys for MULTI/EXEC CAS */
struct evictionPoolEntry *eviction_pool; /* Eviction pool of keys */
// 数据库号码
int id; /* Database ID */
// 数据库的键的平均 TTL ，统计信息
long long avg_ttl; /* Average TTL, just for stats */
} redisDb;
Redis中的过期键
Redis可以用EXPIRE命令和PEXPIRE命令给已经存在的键值对设定生存时间，当超过设置的生存时间，系统就会自动的将键值对从内存中删除，redisDb的expires保存数据库中所有键的生存时间。
如何判断一个键值对是否过期：首先查看键是否存在expires中，如果存在就比较过期时间是否大于当前UNIX时间戳，如果大於则说明其过期，否则键未过期。过期键删除策略有下面三种：
- 定时删除。在设置键过期时间的同时设置一个定时器，当定时器过期时候立刻执行删除策略。优点是能保证过期的键值对立刻从内存中删除，缺点是每一个定时器都需要占据cpu的资源。
- 惰性删除。每次从键空间获取值的时候才去查看该键是否过期。优点是对cpu友好，不会浪费多余时间，缺点是实时性低，过期键值对如果不访问就会一直存放在内存中。
- 定期删除。每隔一段时间才去检查数据库中的过期键值对。是前两种方法的结合。
目前Redis采用惰性删除策略和定期删除策略。首先来看一下Redis中惰性删除策略的实现，每个Redis的读写都先调用expireIfNeeded函数来对即将访问的键值对做一个过滤，如果已经过期则删除，如果没有过期则继续执行。
/*
* 检查 key 是否已经过期，如果是的话，将它从数据库中删除。
* 返回 0 表示键没有过期时间，或者键未过期。
* 返回 1 表示键已经因为过期而被删除了。
*/
int expireIfNeeded(redisDb *db, robj *key) {
// 取出键的过期时间
mstime_t when = getExpire(db,key);
mstime_t now;
// 没有过期时间
if (when < 0) return 0; /* No expire for this key */
// 如果服务器正在进行载入，那么不进行任何过期检查
if (server.loading) return 0;
/*lua脚本*/
now = server.lua_caller ? server.lua_time_start : mstime();
// 当服务器运行在 replication 模式时
// 附属节点并不主动删除 key
// 它只返回一个逻辑上正确的返回值
// 真正的删除操作要等待主节点发来删除命令时才执行
// 从而保证数据的同步
if (server.masterhost != NULL) return now > when;
// 运行到这里，表示键带有过期时间，并且服务器为主节点
// 如果未过期，返回 0
if (now <= when) return 0;
/* 删除key */
server.stat_expiredkeys++;
// 向 AOF 文件和附属节点传播过期信息
propagateExpire(db,key);
// 发送事件通知
notifyKeyspaceEvent(REDIS_NOTIFY_EXPIRED,
"expired",key,db->id);
// 将过期键从数据库中删除
return dbDelete(db,key);
}
Redis中定期删除策略的实现，默认情况下，Redis服务器每隔100毫秒就会执行一次serverCron，serverCron中就会调用activeExpireCycle。activeExpireCycle函数就是定期删除的具体实现，其主要思路就是循环遍历16个db，每个db中再在随机抽选键值对查看其是否过期。
/*
* 函数尝试删除数据库中已经过期的键。
* 当带有过期时间的键比较少时，函数运行得比较保守，
* 如果带有过期时间的键比较多，那么函数会以更积极的方式来删除过期键，
* 从而可能地释放被过期键占用的内存。
*
* 每次循环中被测试的数据库数目不会超过 REDIS_DBCRON_DBS_PER_CALL 。
*
* 如果 timelimit_exit 为真，那么说明还有更多删除工作要做，
* 那么在 beforeSleep() 函数调用时，程序会再次执行这个函数。
* 过期循环的类型：
*
* 如果循环的类型为 ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_FAST ，
* 那么函数会以“快速过期”模式执行，
* 执行的时间不会长过 EXPIRE_FAST_CYCLE_DURATION 毫秒，
* 并且在 EXPIRE_FAST_CYCLE_DURATION 毫秒之内不会再重新执行。
*
* 如果循环的类型为 ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_SLOW ，
* 那么函数会以“正常过期”模式执行，
* 函数的执行时限为 REDIS_HS 常量的一个百分比，
* 这个百分比由 REDIS_EXPIRELOOKUPS_TIME_PERC 定义。
*/
void activeExpireCycle(int type) {
/* This function has some global state in order to continue the work
* incrementally across calls. */
// 静态变量，用来累积函数连续执行时的数据
static unsigned int current_db = 0; /* 上一个被测试的db. */
static int timelimit_exit = 0; /* Time limit hit in previous call? */
static long long last_fast_cycle = 0; /* When last fast cycle ran. */
unsigned int j, iteration = 0;
// 默认每次处理的数据库数量
unsigned int dbs_per_call = REDIS_DBCRON_DBS_PER_CALL;
// 函数开始的时间
long long start = ustime(), timelimit;
// 快速模式
if (type == ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_FAST) {
/* Don't start a fast cycle if the previous cycle did not exited
* for time limt. Also don't repeat a fast cycle for the same period
* as the fast cycle total duration itself. */
// 如果上次函数没有触发 timelimit_exit ，那么不执行处理
if (!timelimit_exit) return;
// 如果距离上次执行未够一定时间，那么不执行处理
if (start < last_fast_cycle + ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_FAST_DURATION*2) return;
// 运行到这里，说明执行快速处理，记录当前时间
last_fast_cycle = start;
}
/*
* 一般情况下，函数只处理 REDIS_DBCRON_DBS_PER_CALL 个数据库，
* 除非：
* 1) 当前数据库的数量小于 REDIS_DBCRON_DBS_PER_CALL
* 2) 如果上次处理遇到了时间上限，那么这次需要对所有数据库进行扫描，这可以避免过多的过期键占用空间
*/
if (dbs_per_call > server.dbnum || timelimit_exit)
dbs_per_call = server.dbnum;
/* We can use at max ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_SLOW_TIME_PERC percentage of CPU time
* per iteration. Since this function gets called with a frequency of
* server.hz times per second, the following is the max amount of
* microseconds we can spend in this function. */
// 函数处理的微秒时间上限
// ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_SLOW_TIME_PERC 默认为 25 ，也即是 25 % 的 CPU 时间
timelimit = 1000000*ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_SLOW_TIME_PERC/server.hz/100;
timelimit_exit = 0;
if (timelimit <= 0) timelimit = 1;
// 如果是运行在快速模式之下
// 那么最多只能运行 FAST_DURATION 微秒
// 默认值为 1000 （微秒）
if (type == ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_FAST)
timelimit = ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_FAST_DURATION; /* in microseconds. */
// 遍历数据库
for (j = 0; j < dbs_per_call; j++) {
int expired;
// 指向要处理的数据库
redisDb *db = server.db+(current_db % server.dbnum);
/* Increment the DB now so we are sure if we run out of time
* in the current DB we'll restart from the next. This allows to
* distribute the time evenly across DBs. */
// 为 DB 计数器加一，如果进入 do 循环之后因为超时而跳出
// 那么下次会直接从下个 DB 开始处理
current_db++;
/* Continue to expire if at the end of the cycle more than 25%
* of the keys were expired. */
do {
unsigned long num, slots;
long long now, ttl_sum;
int ttl_samples;
/* If there is nothing to expire try next DB ASAP. */
// 获取数据库中带过期时间的键的数量
// 如果该数量为 0 ，直接跳过这个数据库
if ((num = dictSize(db->expires)) == 0) {
db->avg_ttl = 0;
break;
}
// 获取数据库中键值对的数量
slots = dictSlots(db->expires);
// 当前时间
now = mstime();
/* When there are less than 1% filled slots getting random
* keys is expensive, so stop here waiting for better times...
* The dictionary will be resized asap. */
// 这个数据库的使用率低于 1% ，扫描起来太费力了（大部分都会 MISS）
// 跳过，等待字典收缩程序运行
if (num && slots > DICT_HT_INITIAL_SIZE &&
(num*100/slots < 1)) break;
/* The main collection cycle. Sample random keys among keys
* with an expire set, checking for expired ones.
*
* 样本计数器
*/
// 已处理过期键计数器
expired = 0;
// 键的总 TTL 计数器
ttl_sum = 0;
// 总共处理的键计数器
ttl_samples = 0;
// 每次最多只能检查 LOOKUPS_PER_LOOP 个键
if (num > ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_LOOKUPS_PER_LOOP)
num = ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_LOOKUPS_PER_LOOP;
// 开始遍历数据库
while (num--) {
dictEntry *de;
long long ttl;
// 从 expires 中随机取出一个带过期时间的键
if ((de = dictGetRandomKey(db->expires)) == NULL) break;
// 计算 TTL
ttl = dictGetSignedIntegerVal(de)-now;
// 如果键已经过期，那么删除它，并将 expired 计数器增一
if (activeExpireCycleTryExpire(db,de,now)) expired++;
if (ttl < 0) ttl = 0;
// 累积键的 TTL
ttl_sum += ttl;
// 累积处理键的个数
ttl_samples++;
}
/* Update the average TTL stats for this database. */
// 为这个数据库更新平均 TTL 统计数据
if (ttl_samples) {
// 计算当前平均值
long long avg_ttl = ttl_sum/ttl_samples;
// 如果这是第一次设置数据库平均 TTL ，那么进行初始化
if (db->avg_ttl == 0) db->avg_ttl = avg_ttl;
/* Smooth the value averaging with the previous one. */
// 取数据库的上次平均 TTL 和今次平均 TTL 的平均值
db->avg_ttl = (db->avg_ttl+avg_ttl)/2;
}
/* We can't block forever here even if there are many keys to
* expire. So after a given amount of milliseconds return to the
* caller waiting for the other active expire cycle. */
// 我们不能用太长时间处理过期键，
// 所以这个函数执行一定时间之后就要返回
// 更新遍历次数
iteration++;
// 每遍历 16 次执行一次
if ((iteration & 0xf) == 0 && /* check once every 16 iterations. */
(ustime()-start) > timelimit)
{
// 如果遍历次数正好是 16 的倍数
// 并且遍历的时间超过了 timelimit
// 那么断开 timelimit_exit
timelimit_exit = 1;
}
// 已经超时了，返回
if (timelimit_exit) return;
/* We don't repeat the cycle if there are less than 25% of keys
* found expired in the current DB. */
// 如果已删除的过期键占当前总数据库带过期时间的键数量的 25 %
// 那么不再遍历
} while (expired > ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_LOOKUPS_PER_LOOP/4);
}
}
除了两种过期策略以外，RDB和AOF两种持久化策略也可以对过期键值对处理。比如：当生成RDB文件和启动服务器时候载入RDB文件时候都会判断键值是否过期，如果过期则跳过不处理。如果在复制同步的模式下，从服务器不会主动删除过期键，只有主服务器删除了过期键，然后通过命令传播的方式传输命令给从服务器，然后从服务器才会删除过期键。
参考：
- 《Redis设计与实现》
- 关于Redis数据过期策略