redis原理与总结节点学院

一、使用和基础数据结构（外观）

redis的基本使用方式是建立在redis提供的数据结构上的。

1.1 字符串 REDIS_STRING

REDIS_STRING (字符串)是 Redis 使用得最为广泛的数据类型,它除了是 SET 、GET 等命令的操作对象之外,数据库中的所有键,以及执行命令时提供给 Redis 的参数,都是用这种类型保存的。

字符串类型分别使用 REDIS_ENCODING_INT 和 REDIS_ENCODING_RAW 两种编码

只有能表示为 long 类型的值,才会以整数的形式保存,其他类型的整数、小数和字符串,都是用 sdshdr 结构来保存

1.2 哈希表 REDIS_HASH

REDIS_HASH (哈希表)是HSET 、HLEN 等命令的操作对象

它使用 REDIS_ENCODING_ZIPLIST和REDIS_ENCODING_HT 两种编码方式

Redis 中每个hash可以存储232-1键值对（40多亿）

1.3 列表

REDIS_LIST(列表)是LPUSH 、LRANGE等命令的操作对象

它使用 REDIS_ENCODING_ZIPLIST和REDIS_ENCODING_LINKEDLIST 这两种方式编码

一个列表最多可以包含232-1 个元素(4294967295, 每个列表超过40亿个元素)。

1.4 集合

REDIS_SET (集合) 是 SADD 、 SRANDMEMBER 等命令的操作对象

它使用 REDIS_ENCODING_INTSET 和 REDIS_ENCODING_HT 两种方式编码

Redis 中集合是通过哈希表实现的，所以添加，删除，查找的复杂度都是O(1)。

集合中最大的成员数为 232 - 1 (4294967295, 每个集合可存储40多亿个成员)

1.5 有序集

REDIS_ZSET (有序集)是ZADD 、ZCOUNT 等命令的操作对象

它使用 REDIS_ENCODING_ZIPLIST和REDIS_ENCODING_SKIPLIST 两种方式编码

不同的是每个元素都会关联一个double类型的分数。redis正是通过分数来为集合中的成员进行从小到大的排序。

有序集合的成员是唯一的,但分数(score)却可以重复。

集合是通过哈希表实现的，所以添加，删除，查找的复杂度都是O(1)。集合中最大的成员数为 232 - 1 (4294967295, 每个集合可存储40多亿个成员)

下图说明了，外部数据结构和底层实际数据结构是通过realobject来连接的。一个外观类型里面必然存着一个realobject，通过它来访问底层数据结构。

二、底层数据结构

下面讨论redis底层数据结构

2.1 SDS动态字符串

sds字符串是字符串的实现

动态字符串是一个结构体，内部有一个buf数组，以及字符串长度，剩余长度等字段，优点是通过长度限制写入，避免缓冲区溢出，另外剩余长度不足时会自动扩容，扩展性较好，不需要频繁分配内存。

并且sds支持写入二进制数据，而不一定是字符。

2.2 dict字典

dict字典是哈希表的实现。

dict字典与Java中的哈希表实现简直如出一辙，首先都是数组+链表组成的结构，通过dictentry保存节点。

其中dict同时保存两个entry数组，当需要扩容时，把节点转移到第二个数组即可，平时只使用一个数组。

2.3 压缩链表ziplist

ziplist是一个经过特殊编码的双向链表，它的设计目标就是为了提高存储效率。ziplist可以用于存储字符串或整数，其中整数是按真正的二进制表示进行编码的，而不是编码成字符串序列。它能以O(1)的时间复杂度在表的两端提供push和pop操作。

实际上，ziplist充分体现了Redis对于存储效率的追求。一个普通的双向链表，链表中每一项都占用独立的一块内存，各项之间用地址指针（或引用）连接起来。这种方式会带来大量的内存碎片，而且地址指针也会占用额外的内存。

而ziplist却是将表中每一项存放在前后连续的地址空间内，一个ziplist整体占用一大块内存。它是一个表（list），但其实不是一个链表（linked list）。

另外，ziplist为了在细节上节省内存，对于值的存储采用了变长的编码方式，大概意思是说，对于大的整数，就多用一些字节来存储，而对于小的整数，就少用一些字节来存储。

实际上。redis的字典一开始的数据比较少时，会使用ziplist的方式来存储，也就是key1，value1，key2，value2这样的顺序存储，对于小数据量来说，这样存储既省空间，查询的效率也不低。

当数据量超过阈值时，哈希表自动膨胀为之前我们讨论的dict。

2.4 quicklist

quicklist是结合ziplist存储优势和链表灵活性与一身的双端链表。

quicklist的结构为什么这样设计呢？总结起来，大概又是一个空间和时间的折中：

2.4.1 双向链表便于在表的两端进行push和pop操作，但是它的内存开销比较大。

首先，它在每个节点上除了要保存数据之外，还要额外保存两个指针；其次，双向链表的各个节点是单独的内存块，地址不连续，节点多了容易产生内存碎片。

2.4.2 ziplist由于是一整块连续内存，所以存储效率很高。

但是，它不利于修改操作，每次数据变动都会引发一次内存的realloc。特别是当ziplist长度很长的时候，一次realloc可能会导致大批量的数据拷贝，进一步降低性能。

2.5 zset

zset其实是两种结构的合并。也就是dict和skiplist结合而成的。dict负责保存数据对分数的映射，而skiplist用于根据分数进行数据的查询（相辅相成）

2.6 skiplist

sortset数据结构使用了ziplist+zset两种数据结构。

Redis里面使用skiplist是为了实现sorted set这种对外的数据结构。sorted set提供的操作非常丰富，可以满足非常多的应用场景。这也意味着，sorted set相对来说实现比较复杂。

sortedset是由skiplist，dict和ziplist组成的。

当数据较少时，sorted set是由一个ziplist来实现的。
当数据多的时候，sorted

set是由一个叫zset的数据结构来实现的，这个zset包含一个dict + 一个skiplist。dict用来查询数据到分数(score)的对应关系，而skiplist用来根据分数查询数据（可能是范围查找）。

在本系列前面关于ziplist的文章里，我们介绍过，ziplist就是由很多数据项组成的一大块连续内存。由于sorted set的每一项元素都由数据和score组成，因此，当使用zadd命令插入一个(数据, score)对的时候，底层在相应的ziplist上就插入两个数据项：数据在前，score在后。

skiplist的节点中存着节点值和分数。并且跳表是根据节点的分数进行排序的，所以可以根据节点分数进行范围查找。

2.7 intset

intset是一个数字结合，他使用灵活的数据类型来保持数字。

新创建的intset只有一个header，总共8个字节。其中encoding = 2, length = 0。
添加13, 5两个元素之后，因为它们是比较小的整数，都能使用2个字节表示，所以encoding不变，值还是2。
当添加32768的时候，它不再能用2个字节来表示了（2个字节能表达的数据范围是-215~215-1，而32768等于215，超出范围了），因此encoding必须升级到INTSET_ENC_INT32（值为4），即用4个字节表示一个元素。

2.8 总结

sds是一个灵活的字符串数组，并且支持直接存储二进制数据，同时提供长度和剩余空间的字段来保证伸缩性和防止溢出。

dict是一个字典结构，实现方式就是Java中的hashmap实现，同时持有两个节点数组，但只使用其中一个，扩容时换成另外一个。

ziplist是一个压缩链表，他放弃内存不连续的连接方式，而是直接分配连续内存进行存储，减少内存碎片。提高利用率，并且也支持存储二进制数据。

quicklist是ziplist和传统链表的中和形成的链表结果，每个链表节点都是一个ziplist。

skiplist一般有ziplist和zset两种实现方法，根据数据量来决定。zset本身是由skiplist和dict实现的。

intset是一个数字集合，他根据插入元素的数据类型来决定数组元素的长度。并自动进行扩容。

2.9 他们实现了哪些结构

字符串由sds实现

list由ziplist和quicklist实现

sortset由ziplist和zset实现

hash表由dict实现

集合由inset实现。

三、redis server结构和数据库redisDb

3.1 redis服务器中维护着一个数据库名为redisdb，实际上他是一个dict结构。

Redis的数据库使用字典作为底层实现，数据库的增、删、查、改都是构建在字典的操作之上的。

3.2 redis服务器将所有数据库都保存在服务器状态结构redisServer(redis.h/redisServer)的db数组（应该是一个链表）里：

同理也有一个redis client结构，通过指针可以选择redis client访问的server是哪一个。

3.3 redisdb的键空间

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 */
    // 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

这部分的代码说明了，redisdb除了维护一个dict组以外，还需要对应地维护一个expire的字典数组。

大的dict数组中有多个小的dict字典，他们共同负责存储redisdb的所有键值对。

同时，对应的expire字典则负责存储这些键的过期时间

3.4 过期键的删除策略

通过前面的介绍，大家应该都知道数据库键的过期时间都保存在过期字典里，那假如一个键过期了，那么这个过期键是什么时候被删除的呢？现在来看看redis的过期键的删除策略：

定时删除：在设置键的过期时间的同时，创建一个定时器，在定时结束的时候，将该键删除；
惰性删除：放任键过期不管，在访问该键的时候，判断该键的过期时间是否已经到了，如果过期时间已经到了，就执行删除操作；
定期删除：每隔一段时间，对数据库中的键进行一次遍历，删除过期的键。

四、redis的事件模型

redis处理请求的方式基于reactor线程模型，即一个线程处理连接，并且注册事件到IO多路复用器，复用器触发事件以后根据不同的处理器去执行不同的操作。总结以下客户端到服务端的请求过程

总结

远程客户端连接到 redis 后，redis服务端会为远程客户端创建一个 redisClient 作为代理。
redis 会读取嵌套字中的数据，写入 querybuf 中。
解析 querybuf 中的命令，记录到 argc 和 argv 中。
根据 argv[0] 查找对应的 recommand。
执行 recommend 对应的执行函数。
执行以后将结果存入 buf & bufpos & reply 中。
返回给调用方。返回数据的时候，会控制写入数据量的大小，如果过大会分成若干次。保证 redis 的相应时间。

Redis 作为单线程应用，一直贯彻的思想就是，每个步骤的执行都有一个上限（包括执行时间的上限或者文件尺寸的上限）一旦达到上限，就会记录下当前的执行进度，下次再执行。保证了 Redis 能够及时响应不发生阻塞。

五、备份方式

5.1 快照（RDB）：

就是我们俗称的备份，他可以在定期内对数据进行备份，将Redis服务器中的数据持久化到硬盘中；

5.2 只追加文件（AOF）：

他会在执行写命令的时候，将执行的写命令复制到硬盘里面，后期恢复的时候，只需要重新执行一下这个写命令就可以了。类似于我们的MySQL数据库在进行主从复制的时候，使用的是binlog二进制文件，同样的是执行一遍写命令；

appendfsync同步频率的区别如下图：

这里写图片描述

六、redis主从复制

Redis复制工作过程：

slave向master发送sync命令。

master开启子进程来讲dataset写入rdb文件，同时将子进程完成之前接收到的写命令缓存起来。

子进程写完，父进程得知，开始将RDB文件发送给slave。

master发送完RDB文件，将缓存的命令也发给slave。

master增量的把写命令发给slave。

注意有两步操作，一个是写入rdb的时候要缓存写命令，防止数据不一致。发完rdb后还要发写命令给salve，以后增量发命令就可以了

七、分布式锁实现

7.1 使用setnx加expire实现加锁和时限

加锁时使用setnx设置key为1并设置超时时间，解锁时删除键

tryLock(){  
    SETNX Key 1
    EXPIRE Key Seconds
}
release(){  
  DELETE Key
}

这个方案的一个问题在于每次提交一个Redis请求，如果执行完第一条命令后应用异常或者重启，锁将无法过期，一种改善方案就是使用Lua脚本（包含SETNX和EXPIRE两条命令），但是如果Redis仅执行了一条命令后crash或者发生主从切换，依然会出现锁没有过期时间，最终导致无法释放。

7.2 使用getset加锁和获取过期时间

针对锁无法释放问题的一个解决方案基于GETSET命令来实现
思路：

SETNX(Key,ExpireTime)获取锁

如果获取锁失败，通过GET(Key)返回的时间戳检查锁是否已经过期

GETSET(Key,ExpireTime)修改Value为NewExpireTime

检查GETSET返回的旧值，如果等于GET返回的值，则认为获取锁成功

注意：这个版本去掉了EXPIRE命令，改为通过Value时间戳值来判断过期

2.0的setnx可以配置过期时间。

V2.0 基于SETNX

tryLock(){  
    SETNX Key 1 Seconds
}
release(){  
  DELETE Key
}

Redis 2.6.12版本后SETNX增加过期时间参数，这样就解决了两条命令无法保证原子性的问题。但是设想下面一个场景：

C1成功获取到了锁，之后C1因为GC进入等待或者未知原因导致任务执行过长，最后在锁失效前C1没有主动释放锁 2. C2在C1的锁超时后获取到锁，并且开始执行，这个时候C1和C2都同时在执行，会因重复执行造成数据不一致等未知情况 3. C1如果先执行完毕，则会释放C2的锁，此时可能导致另外一个C3进程获取到了锁

流程图如下

使用sentx将值设为时间戳，通过lua脚本进行cas比较和删除操作

V3.0
tryLock(){  
    SETNX Key UnixTimestamp Seconds
}
release(){  
    EVAL(
      //LuaScript
      if redis.call("get",KEYS[1]) == ARGV[1] then
          return redis.call("del",KEYS[1])
      else
          return 0
      end
    )
}

这个方案通过指定Value为时间戳，并在释放锁的时候检查锁的Value是否为获取锁的Value，避免了V2.0版本中提到的C1释放了C2持有的锁的问题；另外在释放锁的时候因为涉及到多个Redis操作，并且考虑到Check And Set 模型的并发问题，所以使用Lua脚本来避免并发问题。

如果在并发极高的场景下，比如抢红包场景，可能存在UnixTimestamp重复问题，另外由于不能保证分布式环境下的物理时钟一致性，也可能存在UnixTimestamp重复问题，只不过极少情况下会遇到。

分布式Redis锁：Redlock

redlock的思想就是要求一个节点获取集群中N/2 + 1个节点
上的锁才算加锁成功。

总结

不论是基于SETNX版本的Redis单实例分布式锁，还是Redlock分布式锁，都是为了保证下特性

安全性：在同一时间不允许多个Client同时持有锁
活性

死锁：锁最终应该能够被释放，即使Client端crash或者出现网络分区（通常基于超时机制）
容错性：只要超过半数Redis节点可用，锁都能被正确获取和释放

八、分布式方案

8.1 主从复制

优点是备份简易使用。缺点是不能故障切换，并且不易扩展。

8.1.1 优点：

支持主从复制，主机会自动将数据同步到从机，可以进行读写分离为了分载Master的读操作压力，Slave服务器可以为客户端提供只读操作的服务，写服务仍然必须由Master来完成Slave同样可以接受其它Slaves的连接和同步请求，这样可以有效的分载Master的同步压力。Master Server是以非阻塞的方式为Slaves提供服务。所以在Master-Slave同步期间，客户端仍然可以提交查询或修改请求。Slave Server同样是以非阻塞的方式完成数据同步。在同步期间，如果有客户端提交查询请求，Redis则返回同步之前的数据

8.1.2 缺点：

Redis不具备自动容错和恢复功能，主机从机的宕机都会导致前端部分读写请求失败，需要等待机器重启或者手动切换前端的IP才能恢复。主机宕机，宕机前有部分数据未能及时同步到从机，切换IP后还会引入数据不一致的问题，降低了系统的可用性。Redis较难支持在线扩容，在集群容量达到上限时在线扩容会变得很复杂。

8.2 哨兵模式

使用sentinel哨兵工具监控和实现自动切换。

当主服务器中断服务后，可以将一个从服务器升级为主服务器，以便继续提供服务，但是这个过程需要人工手动来操作。为此，Redis 2.8中提供了哨兵工具来实现自动化的系统监控和故障恢复功能。

哨兵的作用就是监控Redis系统的运行状况。它的功能包括以下两个。

监控主服务器和从服务器是否正常运行。
主服务器出现故障时自动将从服务器转换为主服务器。

8.2.2 优点：

哨兵模式是基于主从模式的，所有主从的优点，哨兵模式都具有。

主从可以自动切换，系统更健壮，可用性更高。

8.2.3 缺点：

Redis较难支持在线扩容，在集群容量达到上限时在线扩容会变得很复杂。

8.3 codis集群方案

首先codis使用代理的方式隐藏底层redis，这样可以完美融合以前的代码，不需要更改redis访问操作。

然后codis使用了zookeeper进行监控和自动切换。同时使用了redis-group的概念，保证一个group里是一主多从的主从模型，基于此来进行切换。

8.4 redis cluster集群

redis的哨兵模式基本已经可以实现高可用，读写分离，但是在这种模式下每台redis服务器都存储相同的数据，很浪费内存，所以在redis3.0上加入了cluster模式，实现的redis的分布式存储，也就是说每台redis节点上存储不同的内容。

Redis-Cluster采用无中心结构,它的特点如下：

所有的redis节点彼此互联(PING-PONG机制),内部使用二进制协议优化传输速度和带宽。

节点的fail是通过集群中超过半数的节点检测失效时才生效。

客户端与redis节点直连,不需要中间代理层.客户端不需要连接集群所有节点,连接集群中任何一个可用节点即可。

8.4.1 工作方式：

在redis的每一个节点上，都有这么两个东西，一个是插槽（slot），它的的取值范围是：0-16383。还有一个就是cluster，可以理解为是一个集群管理的插件。当我们的存取的key到达的时候，redis会根据crc16的算法得出一个结果，然后把结果对 16384 求余数，这样每个 key 都会对应一个编号在 0-16383 之间的哈希槽，通过这个值，去找到对应的插槽所对应的节点，然后直接自动跳转到这个对应的节点上进行存取操作。

为了保证高可用，redis-cluster集群引入了主从模式，一个主节点对应一个或者多个从节点，当主节点宕机的时候，就会启用从节点。当其它主节点ping一个主节点A时，如果半数以上的主节点与A通信超时，那么认为主节点A宕机了。如果主节点A和它的从节点A1都宕机了，那么该集群就无法再提供服务了。

九、redis事务

MULTI 、 EXEC 、 DISCARD 和 WATCH 是 Redis 事务相关的命令。事务可以一次执行多个命令，并且带有以下两个重要的保证：

事务是一个单独的隔离操作：事务中的所有命令都会序列化、按顺序地执行。事务在执行的过程中，不会被其他客户端发送来的命令请求所打断。

事务是一个原子操作：事务中的命令要么全部被执行，要么全部都不执行。

redis事务有一个特点，那就是在2.6以前，事务的一系列操作，如果有的成功有的失败，仍然会提交成功的那部分，后来改为全部不提交了。

但是Redis事务不支持回滚，提交以后不能执行回滚操作。

9.1 为什么 Redis 不支持回滚（roll back）

如果你有使用关系式数据库的经验，那么 “Redis 在事务失败时不进行回滚，而是继续执行余下的命令”这种做法可能会让你觉得有点奇怪。

9.1.1 这种做法的优点：

Redis 命令只会因为错误的语法而失败（并且这些问题不能在入队时发现），或是命令用在了错误类型的键上面：

这也就是说，从实用性的角度来说，失败的命令是由编程错误造成的，而这些错误应该在开发的过程中被发现，而不应该出现在生产环境中。

因为不需要对回滚进行支持，所以 Redis 的内部可以保持简单且快速。

9.2 redis脚本事务

从定义上来说， Redis 中的脚本本身就是一种事务，所以任何在事务里可以完成的事，在脚本里面也能完成。并且一般来说，使用脚本要来得更简单，并且速度更快。

因为脚本功能是 Redis 2.6 才引入的，而事务功能则更早之前就存在了，所以 Redis 才会同时存在两种处理事务的方法。

9.3 redis事务的ACID特性

在传统的关系型数据库中,尝尝用ACID特质来检测事务功能的可靠性和安全性。

在redis中事务总是具有原子性(Atomicity),一致性(Consistency)和隔离性(Isolation),并且当redis运行在某种特定的持久化模式下,事务也具有耐久性(Durability).

9.3.1 原子性

事务具有原子性指的是,数据库将事务中的多个操作当作一个整体来执行,服务器要么就执行事务中的所有操作,要么就一个操作也不执行。
但是对于redis的事务功能来说,事务队列中的命令要么就全部执行,要么就一个都不执行,因此redis的事务是具有原子性的。

9.3.2 一致性

事务具有一致性指的是,如果数据库在执行事务之前是一致的,那么在事务执行之后,无论事务是否执行成功,数据库也应该仍然一致的。
”一致“指的是数据符合数据库本身的定义和要求,没有包含非法或者无效的错误数据。redis通过谨慎的错误检测和简单的设计来保证事务一致性。

9.3.3 隔离性

事务的隔离性指的是,即使数据库中有多个事务并发在执行,各个事务之间也不会互相影响,并且在并发状态下执行的事务和串行执行的事务产生的结果完全相同。
因为redis使用单线程的方式来执行事务(以及事务队列中的命令),并且服务器保证,在执行事务期间不会对事物进行中断,因此,redis的事务总是以串行的方式运行的,并且事务也总是具有隔离性的

9.3.4 持久性

事务的耐久性指的是,当一个事务执行完毕时,执行这个事务所得的结果已经被保持到永久存储介质里面。
因为redis事务不过是简单的用队列包裹起来一组redis命令,redis并没有为事务提供任何额外的持久化功能,所以redis事务的耐久性由redis使用的模式决定