01 - 基本架构：一个键值数据库包含什么？

type

status

date

slug

summary

一、可以存哪些数据 - 数据模型

对于键值数据库而言，基本的数据模型是 key-value 模型。

在 SimpleKV 中，key 是 String 类型，而 value 是基本数据类型，例如 String、整型等。

Redis 支持的 value 类型包括了 String、哈希表、列表、集合等。

不同键值数据库支持的 key 类型一般差异不大，而 value 类型则有较大差别。我们在对键值数据库进行选型时，一个重要的考虑因素是它支持的 value 类型。

Redis 能够在实际业务场景中得到广泛的应用，就是得益于支持多样化类型的 value。

不同 value 类型的实现，不仅可以支撑不同业务的数据需求，而且也隐含着不同数据结构在性能、空间效率等方面的差异。

二、可以对数据做什么操作 - 操作模块

自然是增删改查！

PUT：新写入或更新一个 key-value 对；

GET：根据一个 key 读取相应的 value 值；

SCAN：根据一段 key 的范围返回相应的 value 值；

DELETE：根据一个 key 删除整个 key-value 对。

实际业务场景通常还有更加丰富的需求，例如可以增加 EXISTS 操作接口，用于判断某个 key 是否存在等！

三、键值对保存在内存还是外存 - 数据存储

保存在内存的好处是读写很快，毕竟内存的访问速度一般都在百 ns 级别。但是，潜在的风险是一旦掉电，所有的数据都会丢失。

保存在外存，虽然可以避免数据丢失，但是受限于磁盘的慢速读写（通常在几 ms 级别），键值数据库的整体性能会被拉低

如何进行设计选择，我们通常需要考虑键值数据库的主要应用场景，如果作为缓存使用，则可以保存到内存，因为数据不怕丢失！

我们的 SimpleKV 就采用内存保存键值数据。

四、采用什么访问模式 - 访问框架

通过函数库调用的方式供外部应用使用，即以动态链接库的形式链接到我们的程序中（RocksDB 采用）

通过网络框架以 Socket 通信的形式对外提供键值对操作，包括 Socket Server 和协议解析（Memcached、Redis 采用）

使用第二种网络框架提供服务，又会遇到问题：

网络连接的处理、网络请求的解析，以及数据存取的处理，是用一个线程、多个线程，还是多个进程来交互处理呢？即 I/O 模型设计。

Redis 又是如何做到 “单线程，高性能” 的呢？

五、如何定位键值对的位置 - 索引模块

当 SimpleKV 解析了客户端发来的请求，此时，SimpleKV 需要查找所要操作的键值对是否存在，这依赖于键值数据库的索引模块。索引的作用是让键值数据库根据 key 找到相应 value 的存储位置，进而执行操作。

索引的类型有很多，常见的有哈希表、B+ 树、字典树等。

不同的索引结构在性能、空间消耗、并发控制等方面具有不同的特征。

Memcached 和 Redis 采用哈希表作为索引，而 RocksDB 采用跳表作为索引。

内存键值数据库（例如 Redis）采用哈希表作为索引，很大一部分原因在于，其键值数据基本都是保存在内存中的，而内存的高性能随机访问特性可以很好地与哈希表 O(1) 的操作复杂度相匹配。

Redis 采用一些常见的高效索引结构作为某些 value 类型的底层数据结构，为 Redis 实现高性能访问提供了良好的支撑。

六、如何实现重启后快速提供服务 - 存储模块

内存分配器

内存分配器是键值数据库中的一个关键因素。对于以内存存储为主的 Redis 而言，这点尤为重要。Redis 的内存分配器提供了多种选择，分配效率也不一样。

持久化功能

鉴于磁盘管理要比内存管理复杂，SimpleKV 就直接采用了文件形式，将键值数据通过调用本地文件系统的操作接口保存在磁盘上。此时，SimpleKV 只需要考虑何时将内存中的键值数据保存到文件中，就可以了：

对于每一个键值对，都进行一次落盘保存，数据可靠但性能受限！

周期性存储，性能较好但数据有丢失风险！

七、小结

我们构造了一个简单的键值数据库 SimpleKV，可谓是麻雀虽小，五脏俱全。SimpleKV 包含了一个键值数据库的最基本组件

为了支持更加丰富的业务场景，Redis 对这些组件或者功能进行了扩展，或者说是进行了精细优化，从而满足了功能和性能等方面的要求。

从 SimpleKV 演进到 Redis，有以下几个重要变化：

Redis 主要通过网络框架进行访问，而不再是动态库了，这也使得 Redis 可以作为一个基础性的网络服务进行访问，扩大了 Redis 的应用范围。

Redis 数据模型中的 value 类型很丰富，因此也带来了更多的操作接口

Redis 的持久化模块能支持两种方式：日志（AOF）和快照（RDB），不同持久化方式具有不同的优劣势，影响到 Redis 的访问性能和可靠性。

SimpleKV 是个简单的单机键值数据库，Redis 支持高可靠集群和高可扩展集群