Redis 專題一: 資料結構，redis專題資料結構

Redis 專題一: 資料結構，redis專題資料結構
簡單的動態字串

• redis沒有直接使用C語言傳統的字串表示，而自己構建了一個動態字串SDS，當redis需要的不僅僅是一個字串字面量，而是一個可以被秀噶ide字串值時，redis就會使用sds來表示字串值，比如在redis的資料庫裡，包含字串值的索引值對在底層都是由SDS實現的。

redis  > set name "bugall"ok1.索引值對的鍵是一個字串對象，對象的底層實現是一個儲存著字串"name"的SDS2.索引值對的值也是一個字串對象，對象的底層實現是一個儲存這字串"bugall"的SDS

• 除了用來儲存資料庫中的字串值之外，SDS還被用作緩衝區，AOF模組中的AOF緩衝區，以及用戶端狀態中的輸入緩衝區。
  

struct sdshdr{    //記錄buf數組中已使用位元組的數量    //等於SDS所儲存字串的長度    int len;    //記錄buf數組中未使用位元組的數量    int free;    //位元組數組，用於儲存字串    char buf[];}1. free屬性的值為0，表示這個SDS沒有分配任何未使用空間。2. len屬性的值為5，表示這個SDS儲存了一個五位元組長的字串3. buf屬性是一個char類型數組，數組的前5個位元組分別儲存了‘r','e','d','i','s'五個字元，而最後一個位元組則儲存了Null 字元'\0'注意：儲存孔子福的1位元組空間不計算在SDS的len屬性裡面，並且為空白字元分配額外的一位元組空間。

• 與c字串不同，SDS的空間分配策略完全杜絕了發生緩衝區溢位的可能性，當SDS api 需要對SDS進行修改時，API 會先檢查SDS的空間是否滿足修改所需要的要求，如果不滿足的話，API會自動將SDS的空間拓展至執行修改所需要的大小，然後才執行實際的修改操作，所以使用SDS即不需要手動修改SDS的空間大小，也不會出現的緩衝區溢位的情況。

• 空間分配策略：
  為了避免C字串的這種缺陷，SDS通過未使用空間解除了字串長度和底層數組長度之間的關聯，在SDS中，buf數組的長度不一定就是字元數量加一，數組裡面可以包含未使用的位元組，而這些位元組的數量就由SDS的fress屬性記錄。通過未使用空間，SDS實現了空間的預分配和惰性空間釋放兩種最佳化策略

• 空間預分配：
  空間預分配用於最佳化SDS的字串增長操作：當SDS的API對一個SDS進行修改，而且需要對SDS進行空間拓展的時候，程式不僅會為SDS分配修改所必須要的空間，還會為SDS分配額外的未使用空間。通過空間的預分配策略，redis可以減少連續執行字串增長操作所需的記憶體重分配次數。

• 惰性空間釋放
  惰性空間釋放用於最佳化SDS字串縮短操作：當SDS的API需要縮短字元時，程式並不是立即使用記憶體重分配來回收縮短後多出來的位元組，而是將這些位元組的數量記錄起來（free)，並等待將來使用

• SDS還是二進位安全的，支援C字串函數

鏈表

• 鏈表提供了高效的節點重排能力，以及順序性的節點訪問方式，並且可以通過增刪節點來靈活的調整鏈表的長度。因為Redis使用的C語言並沒有內建這種資料結構，所以Redis構建了自己的鏈表實現。鏈表在Redis中的應用非常廣泛，比如列表鍵的底層實現之一就是鏈表，當一個列表鍵包含了數量比較多的元素，又或者列表中包含的元素都是比較長的字串時，Redis就會使用鏈表作為列表鍵的底層實現。

• integers列表鍵的底層實現就是一個鏈表，鏈表中的每個節點都儲存了一個整數值。除了鏈表鍵之外，發布與訂閱，慢查詢，監視器等功能也用到了鏈表，Redis伺服器本身還是用鏈表來儲存多個用戶端的狀態資訊，以及使用鏈表來構建用戶端的輸出緩衝區。

typeof struct list {    //表頭借點    listNode *head    //表尾節點    listNode *tail    //鏈表所包含的節點數量    unsigned long len    //節點值複製函數    void *(*dup)(void *ptr);    //節點值釋放函數    void (*free)(void *ptr);    //節點值對比函數    void (*match)(void *ptr,void *key)} list

字典

• 字典，又稱為符號表，關聯陣列或映射，是一種用於儲存索引值對的抽象資料結構，Redis的資料庫就是用使用字典作為底層實現的。除了用來表示資料庫之外，字典還是雜湊鍵的底層實現之一，當一個雜湊鍵包含的索引值對比較多，又或者索引值對中的元素都是比較長的字串時。Redis就會使用字典作為雜湊鍵的底層實現。舉個例子：

a={}a{    users:{name:'bugall',name:'yifang'}}其中'users'可以理解為上穩重的雜湊鍵,索引值對就是'users'對應的內容。

• Redis的字典使用雜湊表作為底層實現，一個雜湊表裡面可以有多個雜湊表節點，而每個雜湊表節點就儲存了字典中的一個索引值對。
  

typedef struct dictht{    //雜湊表數組    dictEntry **table;    //雜湊表大小    unsigned long size;    //雜湊表大小掩碼，用於計算索引值    //總是等於size-1    unsigned long sizemaske;    //該雜湊表已有節點的數量    unsigned long used;} dictht;雜湊表節點：typedef struct dictEntry{    //鍵    void *key    //值    union{        void *val;        uint64_tu64;        int64_ts64;     } v;    struct dictEntry *next;} dictEntry;next屬性是指向另一個雜湊表節點的指標，這個指標可以將多個雜湊值相同的索引值對串連一次，以此來解決衝突的問題字典：typedef struct dict {    //類型特定函數    dictType *type;    //私人資料    void *privdata;    //雜湊表    dictht ht[2];    //rehash索引    in trehashidx;} dict;

整數集合

• 整數集合是集合鍵的底層實現之一，當一個集合只包含整數數值元素，並且這個集合的元素數量不多時，Redis就會使用整數集合作為集合鍵的底層實現。舉個例子，如果我們建立一個只包含5個元素的集合鍵，並且集合中的所有元素都是整數值，那麼這個集合鍵的底層實現就會是整數集合

typedef struct intset{    //編碼方式    uint32_t encoding;    //集合包含的元素數量    uint32_t length;    //儲存元素的數組    int8_t contents[];} intset;contents數組是整數集合的底層實現：整數集合的每個元素都是contents數組中的任意一個item(元素),各個項在數組中按值的大小從小到大有序的排列length屬性記錄了整數集合包含的元素數量，也是contents數組的長度。雖然intset結構將contents屬性聲明為int8_t類型的數則，但實際上contents數組並不儲存任何int8_t類型的值，contents數組的真正類型取決於encoding屬性的值。這也是整數集合的特點之一，動態更改contents的大小

• 升級
  每當我們要將一個新元素添加到整數集合裡面，並且新元素的類型比整數集合現有所有元素 的類型要長時，整數集合需要先進行升級，然後才能將新元素添加到整數集合裡面
  1.根據新元素的類型，擴充整數集合底層數組的空間大小，並為新元素分配空間。
  2.將底層數組現有的所有元素都轉換成與新元素相同的類型，並將類型轉換後的元素放置到正確的位置上，而且在放置元素的過程中，需要繼續維持底層數組的有序性質不變。
  3.將新元素放到底層數組裡面

注意整數集合不支援降級操作

壓縮列表

• 壓縮列表是列表鍵和雜湊鍵的底層實現之一。當一個列表鍵只包含少量清單項目，並且每個清單項目要麼就是小整數值，要麼就是長度比較短的字串，那麼Redis就會使用壓縮列表來做列表鍵的底層實現。

• 另外，當一個雜湊鍵只包含少量索引值對，並且每個索引值對的鍵和值要麼就是小整數值，要麼就是長度比較短的字串，那麼Redis就會使用壓縮列表來做雜湊鍵的底層實現。

• 壓縮列表是Redis為了節約記憶體而開發的，是由一系列特殊編碼的連續記憶體塊組成的順序型資料結構，一個壓縮列表可以包含任意多個節點，每個節點可以儲存一個位元組數組或者一個整數值

• 每個壓縮列節點可以儲存一個位元組數組或是一個整數值，每個壓縮列表節點都由previous_entry_length,econding,content三個部分組成
  1.previous_entry_length記錄了壓縮列表中前一個節點的長度。因為節點的previous_entry_length屬性記錄了前一個節點的長度，所以程式可以通過指標運算，根據當前節點的起始地址來計算出前一個節點的起始地址。
  2.encoding屬性記錄了節點的content屬性所儲存資料的類型以及長度
  3.content屬性負責儲存節點的值，節點值可以是一個位元組數組或者整數，值的類型和長度由節點的encoding屬性決定

屬性	類型	位元組長度	用途
zlbytes	uint32_t	4	記錄整個壓縮列表佔用的記憶體位元組數：在對壓縮列表進行記憶體重分配，或者計算zlend的位置時使用
zltail	uint32_t	4	記錄壓縮列表尾節點距離壓縮列表的起始地址有多少位元組：通過這個位移量，程式無需遍曆真箇壓縮列表就可以確定表尾節點的地址
zllen	uint16_t	2	記錄了壓縮列表包含的節點數量：當這個屬性的值小雨uint16_max時，這個屬性的值就是壓縮列表包含節點的數量；當這個值等於uint16_max時，節點的真實數量需要遍曆整個壓縮列表才能計算得出
entryX	列表節點	不定	壓縮列表包含的各個節點，節點的長度由節點儲存的內容決定
zlend	uint8_t	1	特殊值0xFF(十進位255),用於標記壓縮列表的末端

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