Redis 資料庫結構與讀寫原理：從 redisDb 到字典的完整圖解

Redis 資料庫結構與讀寫原理：從 redisDb 到字典的完整圖解

理解 Redis 內部結構是掌握其高效能、支援多資料型別、實現事務與持久化的基石。本文深入解析伺服器啟動時的資料庫陣列、鍵值存儲字典、以及讀寫流程中的維護工作。

一、伺服器層級：redisDb 陣列

Redis 伺服器啟動時建立 redisDb[] 陣列，大小由 databases 16（預設 16）配置決定。每個元素為一個 redisDb 結構，代表一個邏輯資料庫（DB 0 ~ DB 15）。

• 客戶端連線預設操作 redisDb[0]。
• 可用 SELECT 1 切換至 DB 1，但生產環境強烈建議僅使用 DB 0：
  ① 無 API 獲取當前 DB 索引，易誤操作；
  ② 其餘 DB 佔用記憶體；
  ③ 定期掃描過期鍵只需掃描一個 DB。
• 將 databases 設為 1 可節省記憶體並簡化維護。

二、資料庫層級：dict 字典

每個 redisDb 內部包含一個 dict *dict 指針，指向一個哈希表（字典），鍵為 robj *key（Redis 物件），值為 robj *value。所有鍵值操作（SET/GET/HSET/RPUSH 等）最終均在此字典上進行。

示例：執行四條命令後的結構

SET msg "hello nana"
RPUSH mylist "a" "b" "c"
HSET book name "lover"
HSET book author "nana"

DB 0 的字典包含三個鍵：

• msg → 字串物體（"hello nana"）
• mylist → 列表物體（["a","b","c"]）
• book → 哈希物體（{name:"lover", author:"nana"}）

三、讀寫流程中的四項維護工作

每次讀取鍵（讀或寫操作均需先查鍵）時，Redis 執行：

1. 更新命中/未命中計數器：用於 INFO stats 顯示 keyspace_hits/keyspace_misses。
2. 更新鍵的 LRU 時間：記錄 lru 欄位，供 maxmemory-policy allkeys-lru 等淘汰策略使用。
3. 檢測過期：若鍵設有過期時間且已過期，執行惰性刪除（立即刪除並返回空）。詳見「第九章 Redis 過期策略」。
4. 寫計數器 +1：server.dirty++，用於 RDB save 條件判斷與 AOF 重寫觸發。

四、關鍵結構體定義（簡化）

struct redisDb {
    dict *dict;                 // 鍵值字典
    dict *expires;              // 過期字典：key -> 過期毫秒時間戳
    dict *blocking_keys;        // 阻塞鍵（BLPOP 等）
    dict *ready_keys;           // 就緒鍵
    dict *watched_keys;         // WATCH 鍵
    int id;                     // DB 編號
    long long avg_ttl;          // 平均 TTL
};

struct redisServer {
    redisDb *db;                // redisDb[] 陣列
    int dbnum;                  // databases 配置值
    // ... 其他欄位
};

五、實戰啟示

• 所有資料型別統一以 robj 封裝，字典值統一為 robj*，實現型別多態。
• 單執行緒模型下，字典操作無需鎖，效能極高。
• 過期字典獨立於主字典，掃描過期鍵不干擾正常讀寫。
• 理解 dirty 計數器有助於調整 RDB/AOF 觸發頻率。

六、總結

Redis 以陣列管理多個邏輯資料庫，每個資料庫以字典存儲鍵值。讀寫路徑極短：哈希查找 → 維護統計/過期/LRU → 返回/更新物件。這種極簡結構配合單執行緒事件循環，成就了 Redis 的極致效能。