笔记分享-Redis原理(Redis底层数据结构+Redis网络模型+Redis内存回收)_简述 redis 的线程模型以及底层架构设计

Redis原理

1-Redis数据结构

1-1.动态字符串(Simple Dynamic String)

Redis中保存的Key是字符串，value往往是字符串或者字符串的集合。可见字符串是Redis中最常用的一种数据结构。

不过Redis没有直接使用C语言中的字符串，因为C语言字符串存在很多问题：

1. 非二进制安全
2. 不可修改
3. 获取字符串长度的需要通过运算

Redis构建了一种新的字符串结构，称为简单动态字符串（Simple Dynamic String），简称SDS

set name bobochang
1

如上命令 Redis将在底层创建两个SDS，其中一个是包含“name”的SDS，另一个是包含“bobochang”的SDS。

Redis是C语言实现的，其中SDS是一个结构体，源码如下：

例如，一个包含字符串“name”的sds结构如下：

SDS之所以叫做动态字符串，是因为它具备动态扩容的能力，例如一个内容为“hi”的SDS：

假如我们要给SDS追加一段字符串“,Amy”，这里首先会申请新内存空间：

如果新字符串小于1M，则新空间为扩展后字符串长度的两倍+1；

如果新字符串大于1M，则新空间为扩展后字符串长度+1M+1。称为内存预分配。

动态字符串 SDS 优点：

• 获取字符串长度的时间复杂度O(1)
• 支持动态扩容
• 减少内存分配次数
• 确保二进制安全

1-2.InSet

IntSet是Redis中set集合的一种实现方式，

基于整数数组来实现，并且具备长度可变、有序等特征。

结构如下：

其中的encoding包含三种模式，表示存储的整数大小不同：

为了方便查找，Redis会将intset中所有的整数按照升序依次保存在contents数组中，结构如图：

现在，数组中每个数字都在int16_t的范围内，因此采用的编码方式是INTSET_ENC_INT16，每部分占用的字节大小为：
encoding：4字节
length：4字节
contents：2字节 * 3 = 6字节

我们向该其中添加一个数字：50000，这个数字超出了int16_t的范围，intset会自动升级编码方式到合适的大小。
以当前案例来说流程如下：

• 升级编码为INTSET_ENC_INT32, 每个整数占4字节，并按照新的编码方式及元素个数扩容数组
• 倒序依次将数组中的元素拷贝到扩容后的正确位置
• 将待添加的元素放入数组末尾
• 最后，将inset的encoding属性改为INTSET_ENC_INT32，将length属性改为4

Intset数据结构优点：

• Redis会确保Intset中元素的唯一、有序
• 具备类型升级机制，可以节省内存空间
• 底层采用二分查找方式来查询

1-3.Dict

Redis是一个键值型（Key-Value Pair）的数据库，我们可以根据键实现快速的增删改查。

而键与值的映射关系正是通过Dict来实现的。

Dict由三部分组成，分别是：哈希表（DictHashTable）、哈希节点（DictEntry）、字典（Dict）

当我们向Dict添加键值对时，Redis首先根据key计算出hash值（h），

然后利用 h & sizemask来计算元素应该存储到数组中的哪个索引位置。

如：我们存储k1=v1，假设k1的哈希值h =1，则1&3 =1，因此k1=v1要存储到数组角标1位置。

1-3-1.Dict的扩容

Dict中的HashTable就是数组结合单向链表的实现，当集合中元素较多时，必然导致哈希冲突增多，链表过长，则查询效率会大大降低。

Dict在每次新增键值对时都会检查负载因子（LoadFactor = used/size） ，满足以下两种情况时会触发哈希表扩容：

1. 哈希表的 LoadFactor >= 1，并且服务器没有执行 BGSAVE 或者 BGREWRITEAOF 等后台进程；
2. 哈希表的 LoadFactor > 5 ；

1-3-2.Dict的rehash

不管是扩容还是收缩，必定会创建新的哈希表，导致哈希表的size和sizemask变化，而key的查询与sizemask有关。

因此必须对哈希表中的每一个key重新计算索引，插入新的哈希表，这个过程称为rehash。过程是这样的：

• 计算新hash表的realeSize，值取决于当前要做的是扩容还是收缩：

  • 如果是扩容，则新size为第一个大于等于dict.ht[0].used + 1的2^n
  • 如果是收缩，则新size为第一个大于等于dict.ht[0].used的2^n （不得小于4）

• 按照新的realeSize申请内存空间，创建dictht，并赋值给dict.ht[1]

• 设置dict.rehashidx = 0，标示开始rehash

• 将dict.ht[0]中的每一个dictEntry都rehash到dict.ht[1]

• 将dict.ht[1]赋值给dict.ht[0]，给dict.ht[1]初始化为空哈希表，释放原来的dict.ht[0]的内存

• 将rehashidx赋值为-1，代表rehash结束

• 在rehash过程中，新增操作，则直接写入ht[1]，查询、修改和删除则会在dict.ht[0]和dict.ht[1]依次查找并执行。这样可以确保ht[0]的数据只减不增，随着rehash最终为空

整个过程画成图例：

Dict字典数据结构优点：

• Dict的结构：
  • 类似java的HashTable，底层是数组加链表来解决哈希冲突
  • Dict包含两个哈希表，ht[0]平常用，ht[1]用来rehash，常为null
• Dict的扩容与收缩：
  • 当LoadFactor大于5或者LoadFactor大于1并且没有子进程任务时，Dict扩容
  • 当LoadFactor小于0.1时，Dict收缩
  • 扩容大小为第一个大于等于used + 1的2^n
  • 收缩大小为第一个大于等于used 的2^n
  • Dict采用渐进式rehash，每次访问Dict时执行一次rehash
  • rehash时ht[0]只减不增，新增操作只在ht[1]执行，其它操作在两个哈希表

1-4.ZipList

ZipList 是一种特殊的“双端链表” ，由一系列特殊编码的连续内存块组成。

可以在任意一端进行压入/弹出操作, 并且该操作的时间复杂度为 O(1)。

1-4-1.ZipListEntry

ZipList 中的Entry并不像普通链表那样记录前后节点的指针，

因为记录两个指针要占用16个字节，浪费内存。

而是采用了下面的结构：

• previous_entry_length：前一节点的长度，占1个或5个字节。
  • 如果前一节点的长度小于254字节，则采用1个字节来保存这个长度值
  • 如果前一节点的长度大于254字节，则采用5个字节来保存这个长度值，第一个字节为0xfe，后四个字节才是真实长度数据
• encoding：编码属性，记录content的数据类型（字符串还是整数）以及长度，占用1个、2个或5个字节
• contents：负责保存节点的数据，可以是字符串或整数

1-4-2.Encoding编码

ZipListEntry中的encoding编码分为字符串和整数两种：
字符串：如果encoding是以“00”、“01”或者“10”开头，则证明content是字符串

例如，我们要保存字符串：“ab”和 “bc”

ZipListEntry中的encoding编码分为字符串和整数两种：

• 整数：如果encoding是以“11”开始，则证明content是整数，且encoding固定只占用1个字节

例如，我们要保存数字 2 和数字5

1-4-3.ZipList的连锁更新问题

ZipList的每个Entry都包含previous_entry_length来记录上一个节点的大小，长度是1个或5个字节：

如果前一节点的长度小于254字节，则采用1个字节来保存这个长度值

如果前一节点的长度大于等于254字节，则采用5个字节来保存这个长度值，

第一个字节为0xfe，后四个字节才是真实长度数据

假设我们有N个连续的、长度为250~253字节之间的entry，

因此entry的previous_entry_length属性用1个字节即可表示，如图所示：

ZipList这种特殊情况下产生的连续多次空间扩展操作称之为连锁更新（Cascade Update）。

新增、删除都可能导致连锁更新的发生。

ZipList数据结构优点

• 压缩列表的可以看做一种连续内存空间的"双向链表"
• 列表的节点之间不是通过指针连接，而是记录上一节点和本节点长度来寻址，内存占用较低
• 如果列表数据过多，导致链表过长，可能影响查询性能
• 增或删较大数据时有可能发生连续更新问题

1-5.QuickList

QuickList，它是一个双端链表，只不过链表中的每个节点都是一个ZipList。

为了避免QuickList中的每个ZipList中entry过多，Redis提供了一个配置项：list-max-ziplist-size来限制

如果值为正，则代表ZipList的允许的entry个数的最大值

如果值为负，则代表ZipList的最大内存大小（常用）分5种情况：

• -1：每个ZipList的内存占用不能超过4kb
• -2：每个ZipList的内存占用不能超过8kb（默认值）
• -3：每个ZipList的内存占用不能超过16kb
• -4：每个ZipList的内存占用不能超过32kb
• -5：每个ZipList的内存占用不能超过64kb

QuickList数据结构优点

• 是一个节点为ZipList的双端链表
• 节点采用ZipList，解决了传统链表的内存占用问题
• 控制了ZipList大小，解决连续内存空间申请效率问题
• 中间节点可以压缩，进一步节省了内存

1-6.SkipList

SkipList（跳表）首先是链表，但与传统链表相比有几点差异：

• 元素按照升序排列存储
• 节点可能包含多个指针，指针跨度不同。

SkipList数据结构优点：

• 跳跃表是一个双向链表，每个节点都包含score和ele值
• 节点按照score值排序，score值一样则按照ele字典排序
• 每个节点都可以包含多层指针，层数是1到32之间的随机数
• 不同层指针到下一个节点的跨度不同，层级越高，跨度越大
• 增删改查效率与红黑树基本一致，实现却更简单

1-7.RedisObject

Redis中的任意数据类型的键和值都会被封装为一个RedisObject，也叫做Redis对象

从Redis的使用者的角度来看，⼀个Redis节点包含多个database

（非cluster模式下默认是16个，cluster模式下只能是1个），

而一个database维护了从key space到object space的映射关系。

这个映射关系的key是string类型，⽽value可以是多种数据类型，

比如：string, list, hash、set、sorted set等。可以看到，key的类型固定是string，而value可能的类型是多个。

从Redis内部实现的⾓度来看，database内的这个映射关系是用⼀个dict来维护的。

dict的key固定用⼀种数据结构来表达就够了，这就是动态字符串sds。

而value则比较复杂，为了在同⼀个dict内能够存储不同类型的value，

这就需要⼀个通⽤的数据结构，这个通用的数据结构就是robj，全名是redisObject。

1-7-1.Redis的编码方式

Redis中会根据存储的数据类型不同，选择不同的编码方式，共包含11种不同类型：

1-7-2.Redis的五种数据结构

Redis中会根据存储的数据类型不同，选择不同的编码方式。每种数据类型的使用的编码方式如下：

2-Redis数据类型

2-1.String

String是Redis中最常见的数据存储类型：

其基本编码方式是RAW，基于**简单动态字符串（SDS）**实现，存储上限为512mb。

如果存储的SDS长度小于44字节，则会采用EMBSTR编码，此时object head与SDS是一段连续空间。

申请内存时只需要调用一次内存分配函数，效率更高。

如果存储的字符串是整数值，并且大小在LONG_MAX范围内，

则会采用INT编码：直接将数据保存在RedisObject的ptr指针位置（刚好8字节），不再需要SDS了。

2-2.List

Redis的List类型可以从首、尾操作列表中的元素：

在3.2版本之后，Redis统一采用QuickList来实现List：

2-3.Set

Set是Redis中的单列集合，满足下列特点：

• 不保证有序性
• 保证元素唯一
• 求交集、并集、差集

HashTable，也就是Redis中的Dict，确保元素有序，不过Dict是双列集合（可以存键、值对），不满足查询效率

Set，也就是Redis底层数据结构中的IntSet，确保元素有序，可以满足元素唯一、查询效率极高要求。

为了查询效率和唯一性，set采用HT编码（Dict）。Dict中的key用来存储元素，value统一为null。

当存储的所有数据都是整数，并且元素数量不超过set-max-intset-entries时，Set会采用IntSet编码，以节省内存

2-4.ZSet

ZSet也就是SortedSet，其中每一个元素都需要指定一个score值和member值：

• 可以根据score值排序后
• member必须唯一
• 可以根据member查询分数

zset底层数据结构必须满足键值存储、键必须唯一、可排序这几个需求

• SkipList：可以排序，并且可以同时存储score和ele值（member）
• HT（Dict）：可以键值存储，并且可以根据key找value

当元素数量不多时，HT和SkipList的优势不明显，而且更耗内存。因此zset还会采用ZipList结构来节省内存，不过需要同时满足两个条件：

• 元素数量小于zset_max_ziplist_entries，默认值128
• 每个元素都小于zset_max_ziplist_value字节，默认值64

ziplist本身没有排序功能，而且没有键值对的概念，因此需要有zset通过编码实现：

• ZipList是连续内存，因此score和element是紧挨在一起的两个entry， element在前，score在后
• score越小越接近队首，score越大越接近队尾，按照score值升序排列

2-5.Hash

Hash结构与Redis中的Zset非常类似：

• 都是键值存储
• 都需求根据键获取值
• 键必须唯一

区别如下：

• zset的键是member，值是score；hash的键和值都是任意值
• zset要根据score排序；hash则无需排序

Hash底层采用的编码与Zset也基本一致，只需要把排序有关的SkipList去掉即可：

Hash结构默认采用ZipList编码，用以节省内存。 ZipList中相邻的两个entry 分别保存field和value

当数据量较大时，Hash结构会转为HT编码，也就是Dict，触发条件有两个：

• ZipList中的元素数量超过了hash-max-ziplist-entries（默认512）
• ZipList中的任意entry大小超过了hash-max-ziplist-value（默认64字节）

3-Redis网络模型

3-1.用户空间和内核态空间

任何Linux发行版，其系统内核都是Linux。我们的应用都需要通过Linux内核与硬件交互

用户的应用，比如redis，mysql等其实是没有办法去执行访问我们操作系统的硬件的，

所以可以通过发行版的这个壳子去访问内核，再通过内核去访问计算机硬件

计算机硬件包括，如cpu，内存，网卡等等，内核（通过寻址空间）可以操作硬件的，

但是内核需要不同设备的驱动，有了这些驱动之后，内核就可以去对计算机硬件去进行 内存管理，文件系统的管理，进程的管理等等

内核本身上来说也是一个应用，所以他本身也需要一些内存，cpu等设备资源，

用户应用本身也在消耗这些资源，如果不加任何限制，用户去操作随意的去操作我们的资源，就有可能导致一些冲突，

甚至有可能导致我们的系统出现无法运行的问题，因此需要把用户和内核隔离开

应用程序也好，还是内核空间也好，都是没有办法直接去物理内存的，

而是通过分配一些虚拟内存映射到物理内存中，内核和应用程序去访问虚拟内存的时候，就需要一个虚拟地址，

这个地址是一个无符号的整数，比如一个32位的操作系统，他的带宽就是32，他的虚拟地址就是2的32次方，也就是说他寻址的范围就是0~2的32次方， 这片寻址空间对应的就是2的32个字节，就是4GB，

这个4GB，会有3个GB分给用户空间，会有1GB给内核系统

在linux中，他们权限分成两个等级，0和3，

用户空间只能执行受限的命令（Ring3），而且不能直接调用系统资源，

必须通过内核提供的接口来访问内核空间可以执行特权命令（Ring0）

比如：

Linux系统为了提高IO效率，会在用户空间和内核空间都加入缓冲区：

写数据时，要把用户缓冲数据拷贝到内核缓冲区，然后写入设备

读数据时，要从设备读取数据到内核缓冲区，然后拷贝到用户缓冲区

3-2.阻塞IO

应用程序想要去读取数据，是无法直接去读取磁盘数据的，

需要先到内核里边去等待内核操作硬件拿到数据，需要等待的

等到内核从磁盘上把数据加载出来之后，再把这个数据写给用户的缓存区，

如果是阻塞IO，那么整个过程中，用户从发起读请求开始，一直到读取到数据，都是一个阻塞状态。

阶段一：

• 用户进程尝试读取数据（比如网卡数据）
• 此时数据尚未到达，内核需要等待数据
• 此时用户进程也处于阻塞状态

阶段二：

• 数据到达并拷贝到内核缓冲区，代表已就绪
• 将内核数据拷贝到用户缓冲区
• 拷贝过程中，用户进程依然阻塞等待
• 拷贝完成，用户进程解除阻塞，处理数据

可以看到，阻塞IO模型中，用户进程在两个阶段都是阻塞状态。

3-3.非阻塞IO

非阻塞IO的recvfrom操作会立即返回结果而不是阻塞用户进程。

阶段一：

• 用户进程尝试读取数据（比如网卡数据）
• 此时数据尚未到达，内核需要等待数据
• 返回异常给用户进程
• 用户进程拿到error后，再次尝试读取
• 循环往复，直到数据就绪

阶段二：

• 将内核数据拷贝到用户缓冲区
• 拷贝过程中，用户进程依然阻塞等待
• 拷贝完成，用户进程解除阻塞，处理数据
• 可以看到，非阻塞IO模型中，用户进程在第一个阶段是非阻塞，第二个阶段是阻塞状态。虽然是非阻塞，但性能并没有得到提高。而且盲等机制会导致CPU空转，CPU使用率暴增。

3-4.IO多路复用

无论是阻塞IO还是非阻塞IO，用户应用在一阶段都需要调用recvfrom来获取数据，差别在于无数据时的处理方案：

• 如果调用recvfrom时，恰好没有数据，阻塞IO会使CPU阻塞，非阻塞IO使CPU空转，都不能充分发挥CPU的作用。

• 如果调用recvfrom时，恰好有数据，则用户进程可以直接进入第二阶段，读取并处理数据

所以怎么看起来以上两种方式性能都不好

而在单线程情况下，只能依次处理IO事件，如果正在处理的IO事件恰好未就绪（数据不可读或不可写），

线程就会被阻塞，所有IO事件都必须等待，性能自然会很差。

在多路复用模型中，通过文件描述符掌握内核数据是否就绪。

文件描述符（File Descriptor）：简称FD，是一个从0 开始的无符号整数，用来关联Linux中的一个文件。

在Linux中，一切皆文件，例如常规文件、视频、硬件设备等，当然也包括网络套接字（Socket）。

通过FD，我们的网络模型可以利用一个线程监听多个FD，并在某个FD可读、可写时得到通知，

从而避免无效的等待，充分利用CPU资源。

3-4-1.IO多路复用-Select模式

阶段一：

• 用户进程调用select，指定要监听的FD集合
• 核监听FD对应的多个socket
• 任意一个或多个socket数据就绪则返回readable
• 此过程中用户进程阻塞

阶段二：

• 用户进程找到就绪的socket
• 依次调用recvfrom读取数据
• 内核将数据拷贝到用户空间
• 用户进程处理数据

当用户去读取数据的时候，不再去直接调用recvfrom了，而是调用select的函数，

select函数会将需要监听的数据交给内核，由内核去检查这些数据是否就绪了，

如果说这个数据就绪了，就会通知应用程序数据就绪，然后来读取数据，

再从内核中把数据拷贝给用户态，完成数据处理，如果N多个FD一个都没处理完，此时就进行等待。

用IO复用模式，可以确保去读数据的时候，数据是一定存在的，他的效率比原来的阻塞IO和非阻塞IO性能都要高

Select模式缺点：

• 频繁的传递fd集合
• 频繁的去遍历FD
• 能监听的FD最大不超过1024
• 每次select都需要把所有要监听的FD都拷贝到内核空间
• 每次都要遍历所有FD来判断就绪状态

3-4-2.IO多路复用-Poll模式

poll模式对select模式做了简单改进，但性能提升不明显

IO流程：

• 创建pollfd数组，向其中添加关注的fd信息，数组大小自定义
• 调用poll函数，将pollfd数组拷贝到内核空间，转链表存储，无上限
• 内核遍历fd，判断是否就绪
• 数据就绪或超时后，拷贝pollfd数组到用户空间，返回就绪fd数量n
• 用户进程判断n是否大于0,大于0则遍历pollfd数组，找到就绪的fd

与select对比：

• select模式中的fd_set大小固定为1024，而pollfd在内核中采用链表，理论上无上限
• 监听FD越多，每次遍历消耗时间也越久，性能反而会下降

3-4-3.IO多路复用-EPoll模式

epoll模式是对select和poll的改进，它提供了三个函数：

1. eventpoll的函数

   • 红黑树 -> 记录的事要监听的FD
   • 链表 ->记录的是就绪的FD

2. epoll_ctl的函数

   • 紧接着调用epoll_ctl操作，将要监听的数据添加到红黑树上去，
   • 给每个fd设置一个监听函数，这个函数会在fd数据就绪时触发，
   • 把fd数据添加到list_head中去

3. epoll_wait的函数

   等待，在用户态创建一个空的events数组，当就绪之后，回调函数会把数据添加到list_head中去，

   当调用这个函数的时候，会去检查list_head，这个过程需要参考配置的等待时间，可以等一定时间，也可以一直等，

   如果在此过程中，检查到了list_head中有数据会将数据添加到链表中，此时将数据放入到events数组中，

   并且返回对应的操作的数量，用户态的此时收到响应后，从events中拿到对应准备好的数据的节点，

   再去调用方法去拿数据。

Epoll模式优点

• 基于epoll实例中的红黑树保存要监听的FD，理论上无上限，而且增删改查效率都非常高
• 每个FD只需要执行一次epoll_ctl添加到红黑树，以后每次epol_wait无需传递任何参数，无需重复拷贝FD到内核空间
• 利用ep_poll_callback回调函数机制来监听FD状态，无需遍历所有FD，因此性能不会随监听的FD数量增多而下降

3-5.基于Epoll模式的服务端流程

服务器启动以后，服务端会去调用epoll_create，创建一个epoll实例，epoll实例中包含两个数据

1、红黑树（为空）：rb_root 用来去记录需要被监听的FD

2、链表（为空）：list_head，用来存放已经就绪的FD

创建好了之后，会去调用epoll_ctl函数，此函数会会将需要监听的数据添加到rb_root中去，

并且对当前这些存在于红黑树的节点设置回调函数，当这些被监听的数据一旦准备完成，就会被调用，

而调用的结果就是将红黑树的fd添加到list_head中去(但是此时并没有完成)

3、当第二步完成后，就会调用epoll_wait函数，这个函数会去校验是否有数据准备完毕

（因为数据一旦准备就绪，就会被回调函数添加到list_head中），在等待了一段时间后(可以进行配置)，

如果等够了超时时间，则返回没有数据，如果有，则进一步判断当前是什么事件，如果是建立连接时间，则调用accept() 接受客户端socket，拿到建立连接的socket，然后建立起来连接，如果是其他事件，则把数据进行写出

3-6.信号驱动

信号驱动IO是与内核建立SIGIO的信号关联并设置回调，

当内核有FD就绪时，会发出SIGIO信号通知用户，期间用户应用可以执行其它业务，无需阻塞等待。

阶段一：

• 用户进程调用sigaction，注册信号处理函数
• 内核返回成功，开始监听FD
• 用户进程不阻塞等待，可以执行其它业务
• 当内核数据就绪后，回调用户进程的SIGIO处理函数

阶段二：

• 收到SIGIO回调信号
• 调用recvfrom，读取
• 内核将数据拷贝到用户空间
• 用户进程处理数据

信号驱动缺点

当有大量IO操作时，信号较多，SIGIO处理函数不能及时处理可能导致信号队列溢出，

而且内核空间与用户空间的频繁信号交互性能也较低。

3-7.异步IO

这种方式，不仅仅是用户态在试图读取数据后，不阻塞，而且当内核的数据准备完成后，也不会阻塞

他会由内核将所有数据处理完成后，由内核将数据写入到用户态中，然后才算完成，所以性能极高，

不会有任何阻塞，全部都由内核完成，可以看到，异步IO模型中，用户进程在两个阶段都是非阻塞状态。

3-8.Redis多线程网络模型

当我们的客户端想要去连接我们服务器，会去先到IO多路复用模型去进行排队，会有一个连接应答处理器，

他会去接受读请求，然后又把读请求注册到具体模型中去，此时这些建立起来的连接，

如果是客户端请求处理器去进行执行命令时，他会去把数据读取出来，然后把数据放入到client中，

clinet去解析当前的命令转化为redis认识的命令，接下来就开始处理这些命令，

从redis中的command中找到这些命令，然后就真正的去操作对应的数据了，

当数据操作完成后，会去找到命令回复处理器，再由他将数据写出。

4-Redis-RESP通信协议

Redis是一个CS架构的软件，通信一般分两步（不包括pipeline和PubSub）：

• 客户端（client）向服务端（server）发送一条命令

• 服务端解析并执行命令，返回响应结果给客户端

因此客户端发送命令的格式、服务端响应结果的格式必须有一个规范，这个规范就是通信协议。

而在Redis中采用的是RESP（Redis Serialization Protocol）协议：

• Redis 1.2版本引入了RESP协议

• Redis 2.0版本中成为与Redis服务端通信的标准，称为RESP2

• Redis 6.0版本中，从RESP2升级到了RESP3协议，增加了更多数据类型并且支持6.0的新特性–客户端缓存

但目前，默认使用的依然是RESP2协议，也是我们要学习的协议版本（以下简称RESP）。

在RESP中，通过首字节的字符来区分不同数据类型，常用的数据类型包括5种：

1. 单行字符串：首字节是 ‘+’ ，后面跟上单行字符串，以CRLF（ “\r\n” ）结尾。例如返回"OK"： “+OK\r\n”

2. 错误（Errors）：首字节是 ‘-’ ，与单行字符串格式一样，只是字符串是异常信息，例如：“-Error message\r\n”

3. 数值：首字节是 ‘:’ ，后面跟上数字格式的字符串，以CRLF结尾。例如：“:10\r\n”

4. 多行字符串：首字节是 ‘$’ ，表示二进制安全的字符串，最大支持512MB：

   1. 如果大小为0，则代表空字符串：“$0\r\n\r\n”

   2. 如果大小为-1，则代表不存在：“$-1\r\n”

5. 数组：首字节是 ‘*’，后面跟上数组元素个数，再跟上元素，元素数据类型不限:

   

5-Redis内存回收

Redis之所以性能强，最主要的原因就是基于内存存储。

然而单节点的Redis其内存大小不宜过大，会影响持久化或主从同步性能。

我们可以通过修改配置文件来设置Redis的最大内存

当内存使用达到上限时，就无法存储更多数据了。为了解决这个问题，Redis提供了一些策略实现内存回收：

• 内存过期策略
• 内存淘汰策略

5-1.内存过期策略

通过expire命令给Redis的key设置TTL（存活时间）

可以发现，当key的TTL到期以后，再次访问name返回的是nil，

说明这个key已经不存在了，对应的内存也得到释放。从而起到内存回收的目的。

Redis本身是一个典型的key-value内存存储数据库，因此所有的key、value都保存在之前学习过的Dict结构中。

不过在其database结构体中，有两个Dict：一个用来记录key-value；另一个用来记录key-TTL。

5-1-1.惰性删除

顾明思议并不是在TTL到期后就立刻删除，

而是在访问一个key的时候，检查该key的存活时间，如果已经过期才执行删除。

5-1-2.周期删除

顾明思议是通过一个定时任务，周期性的抽样部分过期的key，然后执行删除。执行周期有两种：

1. Redis服务初始化函数initServer()中设置定时任务，按照server.hz的频率来执行过期key清理，模式为SLOW

   • SLOW模式规则：

     • 执行频率受server.hz影响，默认为10，即每秒执行10次，每个执行周期100ms。

     • 执行清理耗时不超过一次执行周期的25%.默认slow模式耗时不超过25ms

     • 逐个遍历db，逐个遍历db中的bucket，抽取20个key判断是否过期

     • 如果没达到时间上限（25ms）并且过期key比例大于10%，再进行一次抽样，否则结束

2. Redis的每个事件循环前会调用beforeSleep()函数，执行过期key清理，模式为FAST

   • FAST模式规则（过期key比例小于10%不执行 ）

     • 执行频率受beforeSleep()调用频率影响，但两次FAST模式间隔不低于2ms

     • 执行清理耗时不超过1ms

     • 逐个遍历db，逐个遍历db中的bucket，抽取20个key判断是否过期

       如果没达到时间上限（1ms）并且过期key比例大于10%，再进行一次抽样，否则结束

5-2.内存淘汰策略

内存淘汰就是当Redis内存使用达到设置的上限时，主动挑选部分key删除以释放更多内存的流程。

Redis会在处理客户端命令的方法processCommand()中尝试做内存淘汰。

Redis支持8种不同策略来选择要删除的key：

• noeviction： 不淘汰任何key，但是内存满时不允许写入新数据，默认就是这种策略。
• volatile-ttl： 对设置了TTL的key，比较key的剩余TTL值，TTL越小越先被淘汰
• allkeys-random：对全体key ，随机进行淘汰。也就是直接从db->dict中随机挑选
• volatile-random：对设置了TTL的key ，随机进行淘汰。也就是从db->expires中随机挑选。
• allkeys-lru： 对全体key，基于LRU算法进行淘汰
• volatile-lru： 对设置了TTL的key，基于LRU算法进行淘汰
• allkeys-lfu： 对全体key，基于LFU算法进行淘汰
• volatile-lfu： 对设置了TTL的key，基于LFI算法进行淘汰
  比较容易混淆的有两个：
  • LRU（Least Recently Used），最少最近使用。用当前时间减去最后一次访问时间，这个值越大则淘汰优先级越高。
  • LFU（Least Frequently Used），最少频率使用。会统计每个key的访问频率，值越小淘汰优先级越高。