Redis Redis原理

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"1”-"10000"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

Redis client发送请求

1. 将操作命令根据RESP协议进行封装
2. 通过套接字发送给Redis server

Redis server接收请求

1. 通过套接字接收请求内容，保存至redisClient.querybuf（输入缓冲区）
2. 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）
3. 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

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

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
  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）

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
从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

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。
数据分区方案

• 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

故障转移
哨兵节点识别主节点客观下线，由其他主节点投票选一个从节点成为主节点