Redis原理

Redis内存模型

redisServer
public class redisServer {
    int dbnum;// 当前redis节点内数据库数量，默认16
    redisDb[] db;// 数组，保存数据库信息
    redisClient clients;// 链表，保存客户端信息

    // serverCron函数维护的属性
    Date unixtime;// 秒级别时间戳
    long mstime;// 毫秒级别时间戳
    Date lruclock;// LRU时钟，每十秒更新一次
    long ops_sec_samples;// Redis server每秒执行命令次数
    long stat_peak_memory;// Redis server内存峰值记录
    int shutdown_asap;// Redis server运行状态 1关闭 0运行
    int cronloops;// serverCron函数计数器

    // 持久化相关
    String rdb_child_pid;// 执行BGSAVE子进程ID，-1表示未执行
    String aof_child_pid;// 执行BGREWRITEAOF子进程ID，-1表示未执行
    long dirty;// 修改计数器
    Date lastsave;// 上次BGSAVE时间
    sdshdr aof_buf;// AOF缓冲区

    // 慢查询相关
    long slowlog_entry_id;// 下一条慢查询日志ID
    Object slowlog;// 慢查询日志链表
    long slowlog_log_slower_than;// 超出该属性值则为慢查询，单位微秒
    long slowlog_max_len;// 慢查询日志保存数量
}
redisDb
public class redisDb{
    dict dict;// 保存键值对
    dict expires;// 保存设置过期时间的键和过期时间
    dict watched_keys;// 保存被WATCH监视的键
}
redisClient
public class redisClient{
    redisDb db;// 当前客户端正在使用的数据库
    sdshdr querybuf;// 输入缓冲区
    String[] argv;// 命令与命令参数数组
    int argc;// argv长度
    sdshdr buf;// 输出缓冲区
    int bufpos;// buf已使用长度
    int authenticated;// 0未通过身份验证 1通过身份验证
}

Redis数据结构

Redis Java对象形式展示Redis数据结构

Redis运行机制

Redis server初始化
  1. 实例化redisServer对象
  2. 根据用户指定参数和配置文件初始化redisServer对象属性
  3. 初始化redisServer对象其他属性
  4. 创建常量：“OK"字符串和"0”-"9999"字符串
  5. 为serverCron创建时间事件
  6. 加载持久化文件（AOF或RDB）
  7. 开始执行时间事件

第六步加载持久化文件流程图

avg_ttl redis含义_Redis

Redis client发送请求
  1. Redis client将操作指令根据RESP协议进行封装
  2. Redis client调用write将消息写入操作系统内核的send buffer
  3. 操作系统内核将消息发送至网卡
  4. 网卡通过网际路由发送至服务器网卡
Redis server接收请求
  1. 服务器网卡接收到消息
  2. 操作系统内核将消息放至recv buffer
  3. Redis server调用read将消息保存至redisClient.querybuf（输入缓冲区）
  4. Redis server解析请求内容，保存至redisClient.argv（操作命令与操作命令参数数组）redisClient.argc（argv长度）
  5. 调用操作命令执行器
Redis server处理请求
  1. 根据操作命令去命令表查询操作命令对应的命令函数（redisCommand）
  2. 根据redisClient.argc和redisCommand.arity验证操作命令参数个数是否正确
  3. 根据redisClient.authenticated验证客户端是否通过身份验证
  4. 调用命令函数
  5. 将处理结果保存至redisClient.buf（输出缓冲区）
  6. 进行后续处理（慢查询日志 & redisCommand计数+1 & AOF & 同步）
  7. 将处理结果发送给Redis client

Redis其他维护工作
读取一个键时，判断如果已过期，则删除
读取一个键后，更新命中或不命中次数
读取一个键后，更新LRU时间
修改一个键时，判断是否有客户端watch这个键，有则设为脏
修改一个键后，redisServer.dirty+1
修改一个键后，同步给其他节点

Redis事件

文件事件

套接字：socket
IO多路复用程序：Redis底层使用epoll
文件事件分派器：事件执行者
事件处理器：连接应答处理器、命令请求处理器和命令回复处理器

文件事件处理流程

  1. 套接字准备好执行连接应答、写入、读取、关闭等操作时，会产生一个文件事件
  2. IO多路复用程序监听多个套接字，把产生事件的套接字放在一个队列里
  3. IO多路复用程序有序推送套接字给文件事件分派器
  4. 文件事件分派器根据事件类型，选择事件处理器调用函数
时间事件serverCron函数
  1. 更新时间戳redisServer.unixtime和redisServer.mstime
  2. 更新LRU时钟redisServer.lruclock
  3. 更新Redis server每秒执行命令次数redisServer.ops_sec_samples
  4. 更新Redis server内存峰值记录redisServer.stat_peak_memory
  5. 处理SIGTERM信号，接收到SIGTERM信号把redisServer.shutdown_asap设置为1
  6. 检查客户端资源
  7. 检查数据库资源
  8. 检查持久化操作运行状态
  9. 如果开启AOF持久化，将AOF缓冲区内容写入AOF
  10. redisServer.cronloops+1

第七步检查数据库资源补充
检查数据库资源主要就是根据删除策略删除部分过期的键。

删除策略
定时删除：设置键过期时间的同时创建一个定时器，由Redis时间事件触发删除（该时间事件并不是serverCron）
惰性删除：访问一个键的时候判断是否过期，过期则删除
定期删除：这种策略是以上两种策略的折中方案，可以手动配置执行时长和频率（默认扫描超时时间25ms）

Redis使用的删除策略
惰性删除+定期删除

定期删除实现原理
每次检查一个数据库的键，若过期则删除，用一个全局变量记录检查到第几个数据库，下次执行定期删除继续检查后一个数据库，直至所有数据库全部检查完，全局变量置为0

redis内存不足时处理策略
noeviction：停止写服务，可执行读请求和del请求（默认策略）
volatile-lru：删除设置了过期时间的key（最少使用次数的key）
volatile-ttl：删除设置了过期时间的key（寿命最短的key）
volatile-random：删除设置了过期时间的key（随机的key）
allkeys-lru：删除最少使用次数的key
allkeys-random：删除寿命最短的key
volatile-xxx：删除设置了过期时间的key
allkeys-xxx：删除所有key

Redis持久化

RDB

触发条件
手动触发（save命令和bgsave命令）
自动触发（save m n）（主从复制）（shutdown命令）

  • save命令会阻塞Redis server，直至RDB文件创建完成（基本弃用）
  • bgsave命令会创建子进程来生成RDB文件，创建子进程过程中父进程阻塞
  • save m n指m秒发生n次操作，会自动触发bgsave；根据redisServer.dirty和redisServer.lastsave属性进行判断，由时间事件serverCron负责触发
  • 主从复制场景下，从节点执行全量复制，主节点会执行bgsave命令，将RDB文件发送给从节点
  • shutdown命令会自动生成RDB文件，然后再结束进程

bgsave执行流程

  1. 父进程根据redisServer.rdb_child_pid判断是否有正在执行的子进程，有就直接返回
  2. fork子进程，fork过程中父进程阻塞
  3. fork完成，父进程继续处理请求，子进程创建RDB文件（全量数据）
  4. 子进程发送信号给父进程
  5. serverCron函数识别信号并替换RDB文件

父进程和子进程共享内存数据，父进程修改数据会拷贝数据页（4K），在备份上进行修改
过期的键不会保存至RDB文件
主节点加载RDB文件时，过期键不会加载至内存
从节点加载RDB文件时，会全量加载，从节点不会主动删除键，主节点发送del命令才能删除

AOF

开启AOF持久化：appendonly yes
AOF执行流程分为三步：命令追加+文件写入+文件重写

  • 命令追加：将执行成功的修改操作写入redisServer.aof_buf
  • 文件写入：根据策略将缓冲区数据写入磁盘
    always：缓冲区有数据就写入磁盘（每一条都会写，写完再执行，不会丢数据）
    no：等待操作系统通过write命令调用，通常为30秒一次
    everysec：等待操作系统通过fsync命令调用，每秒一次（默认策略）
  • 文件重写：将Redis内的数据转换成命令，写入新的AOF文件

文件重写触发条件
手动触发（bgrewriteaof命令）
自动触发（AOF文件超过64MB 并且 新AOF文件大于原AOF文件）
为什么AOF最多可能丢失2秒的数据
Redis会记录上次fsync命令成功的时间，如果不到2秒，不触发fsync；如果超过2秒，则阻塞进行fsync。因此在触发fsync之前突然宕机可能会丢失2秒数据。

Redis4.0混合持久化

开启混合持久化：aof-use-rdb-preamble yes
Redis5.0默认开启混合持久化
混合持久化执行流程

  1. 手动/自动触发bgrewriteaof命令
  2. 主进程fork子进程，fork过程中主进程阻塞
  3. 子进程将全量数据以RDB格式写入AOF文件，主进程将操作命令写入AOF缓冲区和AOF重写缓冲区
  4. 子进程通知主进程，主进程将AOF重写缓冲区数据以AOF格式写入AOF文件
  5. 主进程将新AOF文件替换原AOF文件（AOF文件前半段是RDB格式数据，后半段是AOF格式命令）

持久化对过期键的处理
RDB持久化：已过期键不会保存至RDB文件
AOF持久化：已过期键删除后会在AOF文件追加一条del命令
AOF重写：已过期键不会写入AOF文件

Redis高可用

主从复制模式

优点
读写分离：主节点写，从节点读
故障恢复：主节点宕机，将从节点升级为主节点
缺点
主/从节点故障恢复需要人工干预
写操作无法负载均衡
连接建立阶段

  1. 从节点masterhost记录主节点ip，masterport记录主节点port
  2. 从节点发送slaveof命令给主节点，主节点返回OK
  3. 从节点与主节点建立socket连接，从节点socket用于接收RDB文件以及其他命令，主节点socket保存在redisServer.clients
  4. 从节点发送ping命令给主节点，主节点返回pong
  5. 从节点发送auth命令给主节点进行身份验证
  6. 从节点发送端口号给主节点，主节点后续会将数据发送至该端口

数据同步阶段

  • 从节点发送psync命令给主节点，主节点判断全量复制或者部分复制

命令传播阶段

  • 主节点操作命令执行成功后，发送操作命令给从节点
  • 主从节点心跳机制和REPLCONF ACK机制

repl-disable-tcp-nodelay yes：合并操作命令，40ms发送一次
repl-disable-tcp-nodelay no：每次操作命令发送一次
心跳机制：主节点每10秒发送ping命令给从节点
REPLCONF ACK机制：从节点每秒发送REPLCONF ACK命令给主节点，维护offset属性

哨兵模式

优点
自动实现主节点故障恢复
缺点
节点故障恢复仍需要人工干预
写操作无法负载均衡
实现原理
每个哨兵节点维护了三个定时任务

  1. 向主节点发送info命令获取最新主从结构
  2. 通过发布订阅获取其他哨兵节点信息
  3. 向其他节点发送ping命令进行心跳检测

心跳检测过程中，主节点没有回复，哨兵节点将主节点主观下线，并通过sentinel is-master-down-by-addr命令询问其他哨兵节点主节点状态，如果判断主观下线的哨兵节点到达一定数量，则对该主节点进行客观下线，开始进行选举。
选择领导者哨兵节点算法：Raft算法，先到先得。
选择主节点算法：

  1. 过滤掉不健康的从节点
  2. 选择优先级最高的从节点
  3. 若优先级无法区分，选择offset最大的从节点
  4. 若offset无法区分，选择runid最小的从节点

min-slaves-to-write 1：至少有1个从节点在正常工作
min-slaves-max-lag 10：10秒未收到从节点反馈，就认为其断开

集群模式

优点
解决写操作无法负载均衡的问题
实现原理
集群模式将16384个槽分布在各个主节点上，数据通过数据分区方案落在各个槽中。
数据分区策略

  • 哈希取余分区
  • 一致性哈希分区
  • 虚拟节点一致性哈希分区

集群成员

  • 数据节点（主节点和从节点）
  • 哨兵节点
    主节点读写，从节点只负责备份数据
    每个节点维护2个端口
  • 普通端口：用户提供服务
  • 集群端口（普通端口+10000）：用于集群各个节点通信

增加节点

  1. 启动节点
  2. 节点握手
  3. 迁移槽
  4. 指定主从关系

减少节点

  1. 迁移槽
  2. 节点下线

迁移槽步骤（迁移工具：redis-trib）

  1. redis-trib将原节点和目标节点状态设置为过渡状态
  2. redis-trib获取槽key列表
  3. 挨个迁移key（原节点将该key数据序列化，发送至目标节点，目标节点将该key数据反序列化，原节点删除该key）该步骤是同步阻塞的

访问过渡状态节点的key

  1. 客户端向原节点发送get指令，因为key数据已迁移至目标节点，所以原节点返回moved（重定向）指令
  2. 客户端向目标节点发送asking指令，目标节点返回"OK"
  3. 客户端向目标节点发送get指令获取数据

故障转移
集群识别某个主节点下线，由其他主节点投票选一个从节点成为主节点

Redis高可用对过期键的处理
主节点恢复RDB文件：已过期键不会加载至内存
从节点恢复RDB文件：已过期键会加载至内存
主从复制模式主节点删除已过期键后会发送del命令给从节点，从节点不会主动删除过期键