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Redis实现之数据库（二）

数据库
2023-09-13

设置键的生存时间或过期时间通过EXPIRE或PEXPIRE命令，客户端可以以秒或者毫秒精度为数据库中的某个键设置生存时间（Time To Live，TTL），在经过指定的秒数或者毫秒数之后，服务器就会自动删除生存时间为0的键：12...

设置键的生存时间或过期时间

通过EXPIRE或PEXPIRE命令，客户端可以以秒或者毫秒精度为数据库中的某个键设置生存时间（Time To Live，TTL），在经过指定的秒数或者毫秒数之后，服务器就会自动删除生存时间为0的键：

127.0.0.1:6379> SET key value
OK
127.0.0.1:6379> EXPIRE key 5
(integer) 1
# 5秒之内
127.0.0.1:6379> GET key
"value"
# 5秒之后
127.0.0.1:6379> GET key
(nil)

　　

与EXPIRE命令和PEXPIRE命令类似，客户端可以通过EXPIREAT命令和PEXPIREAT命令，以秒或者毫秒精度给数据库中的某个键设置过期时间。过期时间是一个Unix时间戳，当键的过期时间来临时，服务器就会自动从数据库删除这个键：

127.0.0.1:6379> SET key value
OK
127.0.0.1:6379> EXPIREAT key 1538527910
(integer) 1
127.0.0.1:6379> GET key
"value"
127.0.0.1:6379> TIME
1) "1538527798"
2) "537854"
127.0.0.1:6379> TIME
1) "1538527925"
2) "431305"
127.0.0.1:6379> GET key
(nil)

　　 

TTL命令和PTTL命令接受个带有生存时间或过期时间的键，返回这个键的剩余生存时间，也就是，返回距离这个键被服务器自动删除还有多长时间

127.0.0.1:6379> EXPIRE key 1000
(integer) 1
127.0.0.1:6379> TTL key
(integer) 991
127.0.0.1:6379> SET another_key another_value
OK
127.0.0.1:6379> TIME
1) "1538528119"
2) "181170"
127.0.0.1:6379> EXPIREAT another_key 1538528280
(integer) 1
127.0.0.1:6379> TTL another_key
(integer) 120

　　 

设置过期时间

Redis有四个不同的命令可以用于设置键的生存时间（键可以存在多久）或过期时间（键什么时候会被删除）：

  • EXPIRE <key> <ttl>命令用于将键key的生存时间设置为ttl秒
  • PEXPIRE <key> <ttl>命令用于将键key的生存时间设置为ttl毫秒
  • EXPIREAT <key> <timestamp>命令用于将键key的过期时间设置为timestamp所指定的秒数时间戳
  • PEXPIREAT <key> <timestamp>命令用于将键key的过期时间设置为timestamp所指定的毫秒数时间戳

虽然有多种不同单位和不同形式的设置命令，但实际上EXPIRE、PEXPIRE 、EXPIREAT三个命令都是使用PEXPIREAT 命令来实现的：无论客户端执行的是以上四种命令中的哪一个，经转换后，最终的执行效果都和执行PEXPIREAT命令一样

首先，EXPIRE命令可以转换成PEXPIRE命令：

def EXPIRE(key, ttl_in_sec):
	#将TTL从秒转换成毫秒
	ttl_in_ms = sec_to_ms(ttl_in_sec)
	PEXPlRE(key, ttl_in_ms)

　　

接着，PEXPIRE命令又可以转换成PEXPIREAT命令：

def PEXPIRE(key, ttl_in_ms):
	#获取以毫秒计算的当前UNIX 时间戳
	now_ms = get_current_unix_timestamp_in_ms()
	#当前时间加上TTL，得出毫秒格式的键过期时间
	PEXPlREAT(key, now_ms+ttl_in_ms)

　　

并且，EXPIREAT命令也可以转换成PEXPIREAT命令：

def EXPIREAT (key, expire_time_in_ sec):
	#将过期时间从秒转换为毫秒
	expire_time_ in_ms = sec_to_ms (expire_time_in_sec)
	PEXPlREAT(key, expire_time_in_ms)

　　

最终，EXPIRE 、PEXPIRE 、EXPIREAT三个命令都会转换成PEXPIREAT命令来执行，如图1-1所示

图1-1   设置生存时间和设置过期时间命令之间的转换

保存过期时间

redisDb结构体的expires字典保存了数据库中所有键的过期时间，我们称这个字典为过期字典：

  • 过期字典的键是一个指针，这个指针指向键空间中的某个键对象（也即是某个数据库键）
  • 过期字典的值是一个long long类型的整数，这个整数保存了键所指定的数据库键的过期时间——一个毫秒精度的Unix时间戳 

redis.h

typedef struct redisDb {
    ……
	//过期字典，保存着键的过期时间
    dict *expires;              
    ……
} redisDb;

　　

图1-12展示了一个带有过期字典的数据库例子，在这个例子中，键空间保存了数据库中的所有键值对，而过期字典则保存了数据库键的过期时间。图1-12的键空间和过期字典中重复出现了两次alphabet键对象和book键对象。在实际中，键空间的键和过期字典的键都指向同一个键对象，所以不会出现任何重复对象，也不会浪费任何空间

图1-12   带有过期字典的数据库例子

图1-12中的过期字典保存了两个键值对：

  • 第一个键值对的键为alphabet键对象，值为1385877600000，这表示数据库键alphabet的过期时间为1385877600000（2013年12月1日零时）
  • 第二个键值对的键为book对象，值为138855600000，这表示数据库键book的过期时间为138855600000（2014年1月1日零时）

当客户端执行EXPIRE命令（或将其他三个会转换成PEXPIREAT命令的命令）为一个数据库键设置过期时间时，服务器会在数据库的过期字典中关联给定的数据库键和过期时间。举个栗子，如果数据库当前的状态如图1-12所示，那么服务器执行以下命令后

127.0.0.1:6379> PEXPIREAT message 1391324400000
(integer) 1

　　

过期字典将新增一个键值对，其中键为message键对象，而值为1391324400000（2014年2月1日零时），如图1-13所示

图1-13   执行PEXPIREAT命令之后的数据库

以下是PEXPIREAT命令的伪代码定义：

def PERSIST(key):
	#如果键不存在,或者键没有设置过期时间,那么直接返回
	if key not in redisDB.expires:
		return 0
	#移除过期字典中给定键的键值对关联
	redisDB.expires.remove(key)
	#键的过期时间移除成功
	return 1

　　

移除过期时间

PERSIST命令可以移除一个键的过期时间 

127.0.0.1:6379> SET message "hello world"
OK
127.0.0.1:6379> PEXPIREAT message 1538531750000
(integer) 1
127.0.0.1:6379> TTL message
(integer) 302
127.0.0.1:6379> PERSIST message
(integer) 1
127.0.0.1:6379> TTL message
(integer) -1

　　

PERSIST命令就是PEXPIREAT命令的反操作：PERSIST命令在过期字典中查找给定的键，并解除键和值（过期时间）在过期字典中的关联。举个栗子，如果数据库当前的状态如图1-12所示，那么当服务器执行以下命令之后：

127.0.0.1:6379> PERSIST book
(integer) 1

　　

数据库将更新成图1-14的状态

图1-14   执行PERSIST之后的数据库

可以看到，当PERSIST命令执行之后，过期字典中原来的book键值对消失了，这代表数据库键book的过期时间已被移除。以下是PERSIST命令的伪代码：

def PERSIST(key):
	#如果键不存在,或者键没有设置过期时间,那么直接返回
	if key not in redisDB.expires:
		return 0
	#移除过期字典中给定键的键值对关联
	redisDB.expires.remove(key)
	#键的过期时间移除成功
	return 1

　　

计算并返回剩余生存时间

TTL命令以秒为单位返回键的剩余生存时间，而PTTL命令而以毫秒为单位返回键的剩余生存时间 

127.0.0.1:6379> PEXPIREAT alphabet 1538532350000
(integer) 1
127.0.0.1:6379> TTL alphabet
(integer) 139
127.0.0.1:6379> PTTL alphabet
(integer) 132288

　　

TTL和PTTL两个命令都是通过计算键的过期时间和当前时间之间的差来实现的，以下是这两个命令的伪代码实现：

def PTTL(key):
	#键不存在数据库
    if key not in redisDb.dict:
        return -2
	#尝试取得键的过期时间
	#如果键没有设置过期时间，那么expire_time_in_ms将为None
    expire_time_in_ms = redisDb.expires.get(key)
	#键没有设置过期时间
    if expire_time_in_ms is None:
        return -1
	#获得当前时间
    now_ms = get_current_unix_timestamp_in_ms()
	#过期时间减去当前时间，得出的差就是键的剩余生存时间
    return (expire_time_in_ms - now_ms)

def TTL(key):
	#获取以毫秒为单位的剩余生存时间
    ttl_in_ms = PTTL(key)
    if ttl_in_ms < 0:
		#处理返回值为-2和-1的情况
        return ttl_in_ms
    else:
		#将毫秒转换成秒
        return ms_to_sec(ttl_in_ms)

　　

举个栗子，对于一个过期时间为1385877600000（2013年12月1日零时）的键alphabet来说：

  • 如果当前时间为138328200000（2013年11月1日零时），那么对键alphabet执行PTTL命令返回2595600000，这个值是通过用alphabet键的过期时间减去当前时间计算得出的：1385877600000-138328200000=2595600000
  • 另一方面，如果当前时间为138328200000（2013年11月1日零时），那么对键alphabet执行TTL命令将返回2595600，这个值是通过计算alphabet键的过期时间先去当前时间的差，然后将差值从毫秒转换为秒之后得出

过期键判定

通过过期字典，程序可以用以下步骤检查一个给定键是否过期：

  1. 检查给定键是否存在于过期字典：如果存在，那么取得键的过期时间
  2. 检查当前Unix时间戳是否大于键的过期时间：如果是的话，那么键已过期，否则键未过期

可以用伪代码来描述这一过程：

def is_expired(key):
	#取得键的过期时间
    expire_time_in_ms = redisDb.expires.get(key)
	#键没有设置过期时间
    if expire_time_in_ms is None:
        retrurn False
	#取得当前时间的Unix时间戳
    now_ms = get_current_unix_timestamp_in_ms()
	#检查当前时间是否大于键的过期时间
    if now_ms > expire_time_in_ms:
		#键已过期
        return True
    else:
		#键未过期
        return False

　　

举个栗子，对于一个过期时间为1385877600000（2013年12月1日零时）的键alphabet来说：

  • 如果当前时间为138328200000（2013年11月1日零时），那么调用is_expired(alphabet)将返回false，因为当前时间小于alphabet键的过期时间
  • 另一方面，如果当前时间为138596400000（2013年12月2日零时），那么调用is_expired(alphabet)将返回true，因为当前时间大于alphabet键的过期时间

本文标题为：Redis实现之数据库（二）

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