集群路由与基础指令

在Redis集群模式下，客户端发起针对特定键的指令时，系统首先会计算该键所属的哈希槽，随后定位到负责该槽的节点，最终由该节点执行指令并返回结果。

可以通过OBJECT ENCODING指令探查数据库键的底层值编码方式，例如执行 OBJECT ENCODING user_key 来查看 user_key 的内部编码。使用TYPE指令则可获取值的数据类型，例如 TYPE user_key。

其他常用运维指令包括：

• OBJECT REFCOUNT: 获取值对象的引用计数。
• OBJECT IDLETIME: 获取键的空转时长。
• SELECT: 切换逻辑数据库。
• FLUSHDB: 清空当前库。
• DBSIZE: 获取键总数。
• INFO: 查看服务器详情（如 INFO server）。
• TTL / PTTL: 查看剩余存活时间（秒/毫秒）。
• PERSIST: 移除键的过期时间。
• SLAVEOF: 将当前节点设为指定主节点的从节点。
• CLUSTER KEYSLOT: 查看键对应的集群哈希槽。
• SUBSCRIBE: 订阅频道，例如 SUBSCRIBE "event.order"。
• PSUBSCRIBE: 订阅模式，例如 PSUBSCRIBE "event.*" 订阅所有以 event. 开头的频道。
• PUBLISH: 发布消息，例如 PUBLISH "event.order" "created"。

核心数据结构

简单动态字符串 (SDS)

Redis并未直接采用C语言的字符串，而是自定义了SDS。C字符串在拼接时缺乏长度校验易导致溢出，而SDS在执行拼接前会自动校验并按需扩容。此外，C字符串获取长度需遍历计数，时间复杂度为O(N)，SDS则直接读取 len 属性，复杂度为O(1)。

SDS利用 free 属性记录未使用的字节数。空间分配策略如下：扩容时不仅分配所需空间，还会额外预留一定空间（如修改后长度为5，可能实际分配12字节以预分配冗余）；缩容时暂不释放内存，而是记录在 free 中，留给未来使用。C字符串依靠空字符 \0 判定结尾，无法存储二进制数据，而SDS以二进制安全方式处理缓冲区数据，兼容二进制存储，仅为了兼容部分C函数而在末尾保留 \0。

双端链表

Redis链表具备以下特性：双端（节点含 prev 和 next 指针，前后访问复杂度O(1)）、无环（头节点 prev 和尾节点 next 指向NULL）、带首尾指针（通过 head 和 tail 指针快速定位首尾）、带长度计数器（len 属性记录节点数）、多态（使用 void* 保存值，并配备 dup, free, match 函数实现类型定制）。

typedef struct List {
    ListNode *headRef;
    ListNode *tailRef;
    unsigned long length;
    void (*copyNode)(void *ptr);
    void (*releaseNode)(void *ptr);
    int (*matchNode)(void *ptr1, void *ptr2);
} List;

字典 (Hash)

底层由两个哈希表组成，常规使用一个，另一个用于Rehash。负载因子计算公式为：used / size（已用节点数 / 哈希表大小）。

扩容与缩容条件：

• 当服务器未执行BGSAVE或BGREWRITEAOF且负载因子≥1时扩容；若正在执行上述命令且负载因子≥5时也会强制扩容。
• 当负载因子<0.1时缩容。

为避免子进程使用写时复制导致内存消耗倍增，在持久化期间尽量规避Hash扩容。扩容大小为当前容量的2的N次方（例如当前使用5，扩容至16）。缩容大小为大于当前使用量的最小2的N次方。Rehash过程是渐进式的，分多次逐步完成。

跳跃表

一种有序数据结构，通过多层指针实现快速访问，平均查找复杂度O(logN)，最坏O(N)。Redis在有序集合元素较多或成员较长时采用跳跃表，此外在集群节点内部也使用该结构。

zskiplist 结构包含：头尾指针、最大层数、节点数量。zskiplistNode 结构包含：层（前进指针与跨度）、后退指针、分值（score，从小到大排列）、成员对象。

整数集合

当集合元素全为整数且数量较少时使用。编码方式根据元素类型决定，若新插入元素类型长度大于现有所有元素，需先进行升级：扩展数组空间 -> 转换现有元素类型并移位 -> 插入新元素。整数集合不支持降级。

压缩列表

为节约内存而设计的顺序型数据结构，用于列表和哈希的底层实现（元素少且短时）。由连续内存块组成，每个节点包含 previous_entry_length、encoding、content 三部分。

previous_entry_length 可能为1或5字节，若前驱节点长度变化导致该属性从1字节扩展至5字节，可能引发后续所有节点级联扩容，此现象称为连锁更新。

对象系统

Redis基于上述数据结构构建了对象系统，包含字符串、列表、哈希、集合、有序集合五类，并实现了引用计数内存回收与对象共享机制，同时记录访问时间以支持空转时长计算。

字符串对象

编码可为 int（保存整数）、embstr（保存≤32字节短字符串，一次内存分配，RedisObject与SDS连续）、raw（保存>32字节长字符串，两次内存分配）。浮点数以字符串形式保存。embstr 为只读，修改时会被转化为 raw。

列表对象

编码可为 ziplist 或 linkedlist（3.2版本后使用 quicklist）。当元素长度<64字节且数量<512时使用 ziplist。

哈希对象

编码可为 ziplist（键值对节点紧挨存放）或 hashtable。当键值长度均<64字节且数量<512时使用 ziplist。

集合对象

编码可为 intset 或 hashtable（值为NULL）。当元素全为整数且数量≤512时使用 intset。

有序集合对象

编码可为 ziplist（元素与分值紧挨存放并按分值排序）或 skiplist。skiplist 底层使用 zset 结构，同时包含跳跃表与字典：跳跃表支持范围查询，字典支持O(1)复杂度分值查询。两者共享元素指针，不产生冗余内存。当元素数量<128且长度<64字节时使用 ziplist。

内存回收与共享

引用计数机制：创建时初始化为1，被使用加1，不再使用减1，归零时释放内存。Redis初始化时预创建0~9999的共享字符串对象，避免重复创建。由于校验字符串是否相同需消耗CPU，故Redis不共享包含复杂结构的字符串对象。

数据库实现

服务器状态 redisServer 的 db 数组保存所有数据库，默认16个。客户端状态 redisClient 的 db 指针指向当前使用的数据库。

数据库键空间由 redisDb 的 dict 字典表示。读写键空间时会触发维护操作：更新命中率与LRU时间、处理过期键、标记脏键以通知持久化与复制、触发键空间通知等。

过期键管理

expires 字典保存所有键的过期时间。判定过期：当前时间戳是否大于过期字典记录的时间。

删除策略：

• 定时删除：到期立即删除，对内存友好但消耗CPU。
• 惰性删除：访问时检查删除，对CPU友好但可能泄漏内存。
• 定期删除：周期性抽查删除，折中方案。

Redis综合使用惰性删除（expireIfNeeded 函数在命令执行前检查）与定期删除（activeExpireCycle 函数在serverCron中周期执行）。

持久化与复制中的过期键处理：

• RDB：生成时忽略过期键；主服务器载入时忽略过期键，从服务器载入时全部加载（后续同步会覆盖）。
• AOF：过期键被删除时追加DEL命令；重写时忽略过期键。
• 复制：从服务器不主动删除过期键，需等待主服务器发送DEL命令，保证主从一致性。

RDB持久化

将内存状态保存为磁盘二进制文件。

SAVE 阻塞服务器执行；BGSAVE 派生子进程执行，父进程继续处理请求。BGSAVE期间拒绝SAVE与BGSAVE，延迟BGREWRITEAOF。服务器启动时若AOF关闭则自动载入RDB文件，载入期间阻塞。

自动保存条件由 saveparams 数组配置，配合 dirty 计数器（修改次数）和 lastsave 时间戳，serverCron 周期检查是否满足条件触发BGSAVE。

RDB文件结构

由REDIS常量、版本号、数据库数据、EOF常量、校验和组成。数据库部分由SELECTDB常量、数据库编号、键值对组成。键值对包含TYPE、key、value，若带过期时间则含EXPIRETIME_MS与毫秒时间戳。

字符串对象若为INT编码则直接保存；若为RAW编码且长度≤20字节原样保存，>20字节启用LZF压缩保存。

列表、集合、哈希、有序集合等对象按各自结构依次保存元素数量与内容。INTSET与ZIPLIST编码对象在RDB中会先转换为字符串对象再保存。

AOF持久化

通过记录所有写命令来还原数据库状态。分为命令追加（写入 aof_buf 缓冲区）、文件写入、文件同步三步。同步策略由 appendfsync 决定（always / everysec / no），默认everysec。

AOF载入过程：创建伪客户端 -> 循环读取并执行写命令。AOF重写通过读取当前数据库状态直接生成精简命令，在子进程中执行。重写期间主进程收到的写命令会同时记录到AOF重写缓冲区，子进程完成后由主进程将缓冲区追加至新AOF文件并覆盖旧文件。

事件机制

Redis是事件驱动程序，处理文件事件（网络套接字操作）与时间事件（定时任务）。

文件事件处理器基于Reactor模式，使用I/O多路复用监听套接字，分派给对应的事件处理器（连接应答、命令读取、命令回复等）。

时间事件存放在无序链表中，定时器遍历链表查找并执行到期事件。serverCron 是最重要的周期性时间事件。

客户端属性

客户端状态 redisClient 保存了套接字描述符、名字、标志、数据库指针、输入缓冲区（querybuf）、命令参数（argv, argc）、输出缓冲区（固定 buf 与可变 reply 链表）、身份验证状态等。伪客户端（fd=-1）用于AOF载入与Lua脚本执行。

输出缓冲区存在硬性限制与软性限制，超限将导致客户端被关闭。

服务器运作

命令执行过程：客户端发送协议 -> 服务器读取分析存入 argv -> 查表定位命令实现函数 -> 执行预备操作 -> 执行命令 -> 返回回复。

serverCron 每100ms执行，负责更新时间缓存、LRU时钟、管理内存与持久化等。服务器初始化经历状态创建、配置载入、数据结构初始化、数据还原、开启事件循环五步。

主从复制

旧版SYNC命令全量同步开销极大。2.8版后引入PSYNC命令，支持完整重同步与部分重同步。部分重同步依赖复制偏移量、复制积压缓冲区（1MB FIFO队列）与运行ID。

复制实现流程：设置主节点 -> 建立套接字 -> 发送PING -> 身份验证 -> 发送端口信息 -> 同步 -> 命令传播。同步后主从互为客户端。

从节点默认每秒发送 REPLCONF ACK 心跳，用于检测连接、辅助min-slaves配置及检测命令丢失。

Sentinel哨兵

高可用方案，监控主从节点，在主节点下线时执行故障转移。启动过程：初始化服务器 -> 替换为Sentinel专用代码 -> 初始化状态 -> 监听主服务器。

typedef struct SentinelInstance {
    int stateFlags;
    char *identifier;
    char *runtimeId;
    uint64_t epoch;
    sentinelAddr *address;
    mstime_t downTimeout;
    int quorumVotes;
    int syncCount;
    mstime_t failoverDeadline;
} SentinelInstance;

Sentinel创建命令与订阅两条连接连向主服务器，通过INFO命令自动发现从服务器与其他Sentinel。节点间通过 __sentinel__:hello 频道互相通信。主观下线（SDOWN）后向其他Sentinel询问，获得足够票数后标记客观下线（ODOWN）。

领头Sentinel选举采用Raft算法，先到先得且需半数以上支持。故障转移选择新主节点规则：排除下线/断线节点 -> 排除近期未通信节点 -> 优先级最高 -> 复制偏移量最大 -> 运行ID最小。

集群

通过 CLUSTER MEET 握手加入集群，集群分片16384个哈希槽。

typedef struct ClusterNodeDef {
    mstime_t createTime;
    char nodeId[CLUSTER_NAME_SIZE];
    int nodeFlags;
    uint64_t configVersion;
    char nodeIp[IP_STR_LEN];
    int nodePort;
    ClusterConn *connHandle;
    unsigned char assignedSlots[CLUSTER_SLOTS / 8];
    int slotCount;
    struct ClusterNodeDef *masterRef;
    int replicaCount;
    struct ClusterNodeDef **replicaList;
    list *failureReports;
} ClusterNodeDef;

typedef struct ClusterTopology {
    ClusterNodeDef *selfNode;
    uint64_t globalEpoch;
    int clusterStatus;
    int activeNodeCount;
    dict *nodeDictionary;
    ClusterNodeDef *slotAssignments[CLUSTER_SLOTS];
    ClusterNodeDef *importSources[CLUSTER_SLOTS];
    ClusterNodeDef *exportTargets[CLUSTER_SLOTS];
    zskiplist *slotKeyIndex;
} ClusterTopology;

客户端请求若键所在槽不归当前节点处理，返回MOVED重定向。重新分片由redis-trib执行，迁移期间若键不在源节点且正在迁移，返回ASK重定向。ASK为临时指引，需先发送ASKING命令。

集群故障转移由从节点发起，投票选举新主节点。节点间通过Gossip协议（MEET, PING, PONG）交换状态，FAIL消息广播下线事件，PUBLISH消息广播发布订阅事件。

发布与订阅

频道订阅由 pubsub_channels 字典维护，模式订阅由 pubsub_patterns 链表维护。PUBLISH指令同时向频道与匹配模式的订阅者发送消息。PUBSUB命令可查看订阅状态。

typedef struct PatternSubscription {
    redisClient *subscriber;
    robj *patternRule;
} PatternSubscription;

事务

MULTI开启事务，命令入队，EXEC执行。WATCH实现乐观锁，若被监视键在EXEC前被修改，事务拒绝执行。Redis事务具备原子性、一致性、隔离性，但无回滚机制。耐久性取决于持久化配置（appendfsync为always时具备）。

typedef struct TransactionQueue {
    TransactionCmd *cmdArray;
    int cmdCount;
} TransactionQueue;

Lua脚本

通过EVAL与EVALSHA执行。Redis内嵌Lua环境，提供全局 redis 表调用命令。

-- 检查库存并扣减
if redis.call("EXISTS", KEYS[1]) == 1 then
    local stock = tonumber(redis.call("GET", KEYS[1]))
    if stock >= tonumber(ARGV[1]) then
        redis.call("DECRBY", KEYS[1], ARGV[1])
        return 1
    end
end
return 0

SCRIPT系列命令管理脚本缓存与超时。主节点复制EVALSHA命令时，若从节点未缓存该脚本，会自动转换为EVAL命令传播。

SORT命令

底层创建 redisSortObject 数组，按权重排序。支持BY（外部键权重）、LIMIT（分页）、GET（获取外部键）、STORE（保存结果）、ALPHA（字母排序）等选项。执行顺序固定：排序 -> LIMIT -> GET -> STORE -> 返回。

二进制位数组

底层采用SDS逆序存储（便于SETBIT扩展）。GETBIT与SETBIT通过偏移量计算字节索引与位索引。BITCOUNT统计汉明重量，结合查表法与variable-precision SWAR算法实现高效计算。

uint32_t calculateHammingWeight(uint32_t val) {
    val = (val & 0x55555555) + ((val >> 1) & 0x55555555);
    val = (val & 0x33333333) + ((val >> 2) & 0x33333333);
    val = (val & 0x0F0F0F0F) + ((val >> 4) & 0x0F0F0F0F);
    val = (val * 0x01010101) >> 24;
    return val;
}

BITOP基于C内置位运算实现逻辑与、或、异或、非。

慢查询与监视器

慢查询日志由 slowlog-log-slower-than 与 slowlog-max-len 配置，超出上限删除最旧记录。监视器通过MONITOR命令开启，服务器处理命令前将信息发送给所有监视器客户端。