怎么進(jìn)行Redis數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)底層實(shí)現(xiàn)

這篇文章將為大家詳細(xì)講解有關(guān)怎么進(jìn)行Redis數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)底層實(shí)現(xiàn)，文章內(nèi)容質(zhì)量較高，因此小編分享給大家做個(gè)參考，希望大家閱讀完這篇文章后對(duì)相關(guān)知識(shí)有一定的了解。

面試中，redis也是很受面試官親睞的一部分。我向在這里講的是redis的底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而不是你理解的五大數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。你有沒有想過redis底層是怎樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)呢，他們和我們java中的HashMap、List、等使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有什么區(qū)別呢。

1. 字符串處理(string)

我們都知道redis是用C語言寫，但是C語言處理字符串和數(shù)組的成本是很高的，下面我分別說幾個(gè)例子。

沒有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)支撐的幾個(gè)問題

1. 鴻蒙官方戰(zhàn)略合作共建——HarmonyOS技術(shù)社區(qū)

2.  極其容易造成緩沖區(qū)溢出問題，比如用strcat()，在用這個(gè)函數(shù)之前必須要先給目標(biāo)變量分配足夠的空間，否則就會(huì)溢出。

3.  如果要獲取字符串的長(zhǎng)度，沒有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的支撐，可能就需要遍歷，它的復(fù)雜度是O(N)

4.  內(nèi)存重分配。C字符串的每次變更(曾長(zhǎng)或縮短)都會(huì)對(duì)數(shù)組作內(nèi)存重分配。同樣，如果是縮短，沒有處理好多余的空間，也會(huì)造成內(nèi)存泄漏。

好了，Redis自己構(gòu)建了一種名叫Simple dynamic string(SDS)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，他分別對(duì)這幾個(gè)問題作了處理。我們先來看看它的結(jié)構(gòu)源碼：

struct sdshdr{       //記錄buf數(shù)組中已使用字節(jié)的數(shù)量       //等于 SDS 保存字符串的長(zhǎng)度       int len;       //記錄 buf 數(shù)組中未使用字節(jié)的數(shù)量       int free;       //字節(jié)數(shù)組，用于保存字符串       char buf[];  }

再來說說它的優(yōu)點(diǎn)：

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2.  開發(fā)者不用擔(dān)心字符串變更造成的內(nèi)存溢出問題。

3.  常數(shù)時(shí)間復(fù)雜度獲取字符串長(zhǎng)度len字段。

4.  空間預(yù)分配free字段，會(huì)默認(rèn)留夠一定的空間防止多次重分配內(nèi)存。

更多了解：https://redis.io/topics/internals-sds

這就是string的底層實(shí)現(xiàn)，更是redis對(duì)所有字符串?dāng)?shù)據(jù)的處理方式(SDS會(huì)被嵌套到別的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)里使用)。

2. 鏈表

Redis的鏈表在雙向鏈表上擴(kuò)展了頭、尾節(jié)點(diǎn)、元素?cái)?shù)等屬性。

2.1 源碼

ListNode節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

typedef  struct listNode{         //前置節(jié)點(diǎn)         struct listNode *prev;         //后置節(jié)點(diǎn)         struct listNode *next;         //節(jié)點(diǎn)的值         void *value;    }listNode

鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

typedef struct list{       //表頭節(jié)點(diǎn)       listNode *head;       //表尾節(jié)點(diǎn)       listNode *tail;       //鏈表所包含的節(jié)點(diǎn)數(shù)量       unsigned long len;       //節(jié)點(diǎn)值復(fù)制函數(shù)       void (*free) (void *ptr);       //節(jié)點(diǎn)值釋放函數(shù)       void (*free) (void *ptr);       //節(jié)點(diǎn)值對(duì)比函數(shù)       int (*match) (void *ptr,void *key);  }list;

從上面可以看到，Redis的鏈表有這幾個(gè)特點(diǎn)：

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2.  可以直接獲得頭、尾節(jié)點(diǎn)。

3.  常數(shù)時(shí)間復(fù)雜度得到鏈表長(zhǎng)度。

4.  是雙向鏈表。

3. 字典(Hash)

Redis的Hash，就是在數(shù)組+鏈表的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了一些rehash優(yōu)化等。

3.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)源碼

哈希表：

typedef struct dictht {      // 哈希表數(shù)組      dictEntry **table;      // 哈希表大小      unsigned long size;      // 哈希表大小掩碼，用于計(jì)算索引值      // 總是等于 size - 1      unsigned long sizemask;      // 該哈希表已有節(jié)點(diǎn)的數(shù)量      unsigned long used;  } dictht;

Hash表節(jié)點(diǎn)：

typedef struct dictEntry {      // 鍵      void *key;      // 值      union {          void *val;          uint64_t u64;          int64_t s64;      } v;      // 指向下個(gè)哈希表節(jié)點(diǎn)，形成鏈表      struct dictEntry *next;  // 單鏈表結(jié)構(gòu)  } dictEntry;

字典：

typedef struct dict {      // 類型特定函數(shù)      dictType *type;      // 私有數(shù)據(jù)      void *privdata;      // 哈希表      dictht ht[2];      // rehash 索引      // 當(dāng) rehash 不在進(jìn)行時(shí)，值為 -1      int rehashidx; /* rehashing not in progress if rehashidx == -1 */  } dict;

可以看出：

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2.  Reids的Hash采用鏈地址法來處理沖突，然后它沒有使用紅黑樹優(yōu)化。

3.  哈希表節(jié)點(diǎn)采用單鏈表結(jié)構(gòu)。

4.  rehash優(yōu)化。

下面我們講一下它的rehash優(yōu)化。

3.2 rehash

當(dāng)哈希表的鍵對(duì)泰國(guó)或者太少，就需要對(duì)哈希表的大小進(jìn)行調(diào)整，redis是如何調(diào)整的呢？

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2.  我們仔細(xì)可以看到dict結(jié)構(gòu)里有個(gè)字段dictht ht[2]代表有兩個(gè)dictht數(shù)組。第一步就是為ht[1]哈希表分配空間，大小取決于ht[0]當(dāng)前使用的情況。

3.  將保存在ht[0]中的數(shù)據(jù)rehash(重新計(jì)算哈希值)到ht[1]上。

4.  當(dāng)ht[0]中所有鍵值對(duì)都遷移到ht[1]后，釋放ht[0]，將ht[1]設(shè)置為ht[0]，并ht[1]初始化，為下一次rehash做準(zhǔn)備。

3.3 漸進(jìn)式rehash

我們?cè)?.2中看到，redis處理rehash的流程，但是更細(xì)一點(diǎn)的講，它如何進(jìn)行數(shù)據(jù)遷的呢？

這就涉及到了漸進(jìn)式rehash，redis考慮到大量數(shù)據(jù)遷移帶來的cpu繁忙(可能導(dǎo)致一段時(shí)間內(nèi)停止服務(wù))，所以采用了漸進(jìn)式rehash的方案。步驟如下：

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2.  為ht[1]分配空間，同時(shí)持有兩個(gè)哈希表(一個(gè)空表、一個(gè)有數(shù)據(jù))。

3.  維持一個(gè)技術(shù)器rehashidx，初始值0。

4.  每次對(duì)字典增刪改查，會(huì)順帶將ht[0]中的數(shù)據(jù)遷移到ht[1],rehashidx++(注意：ht[0]中的數(shù)據(jù)是只減不增的)。

5.  直到rehash操作完成，rehashidx值設(shè)為-1。

它的好處：采用分而治之的思想，將龐大的遷移工作量劃分到每一次CURD中，避免了服務(wù)繁忙。

4. 跳躍表

這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是我面試中見過最多的，它其實(shí)特別簡(jiǎn)單。學(xué)過的人可能都知道，它和平衡樹性能很相似，但為什么不用平衡樹而用skipList呢?

4.1 skipList & AVL 之間的選擇

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2.  從算法實(shí)現(xiàn)難度上來比較，skiplist比平衡樹要簡(jiǎn)單得多。

3.  平衡樹的插入和刪除操作可能引發(fā)子樹的調(diào)整，邏輯復(fù)雜，而skiplist的插入和刪除只需要修改相鄰節(jié)點(diǎn)的指針，操作簡(jiǎn)單又快速。

4.  查找單個(gè)key，skiplist和平衡樹的時(shí)間復(fù)雜度都為O(log n)，大體相當(dāng)。

5.  在做范圍查找的時(shí)候，平衡樹比skiplist操作要復(fù)雜。

6.  skiplist和各種平衡樹（如AVL、紅黑樹等）的元素是有序排列的。

可以看到，skipList中的元素是有序的，所以跳躍表在redis中用在有序集合鍵、集群節(jié)點(diǎn)內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

4.2 源碼

跳躍表節(jié)點(diǎn)：

typedef struct zskiplistNode {      // 后退指針      struct zskiplistNode *backward;      // 分值      double score;      // 成員對(duì)象      robj *obj;      // 層      struct zskiplistLevel {          // 前進(jìn)指針          struct zskiplistNode *forward;          // 跨度          unsigned int span;      } level[];  } zskiplistNode;

跳躍表：

typedef struct zskiplist {      // 表頭節(jié)點(diǎn)和表尾節(jié)點(diǎn)      struct zskiplistNode *header, *tail;      // 表中節(jié)點(diǎn)的數(shù)量      unsigned long length;      // 表中層數(shù)最大的節(jié)點(diǎn)的層數(shù)      int level;  } zskiplist;

它有幾個(gè)概念：

4.2.1 層(level[])

層，也就是level[]字段，層的數(shù)量越多，訪問節(jié)點(diǎn)速度越快。(因?yàn)樗喈?dāng)于是索引，層數(shù)越多，它索引就越細(xì)，就能很快找到索引值)。

4.2.2 前進(jìn)指針(forward)

層中有一個(gè)forward字段，用于從表頭向表尾方向訪問。

4.2.3 跨度(span)

用于記錄兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離。

4.2.4 后退指針(backward)

用于從表尾向表頭方向訪問。

案例

level0    1---------->5  level1    1---->3---->5  level2    1->2->3->4->5->6->7->8

比如我要找鍵為6的元素，在level0中直接定位到5，然后再往后走一個(gè)元素就找到了。

5. 整數(shù)集合(intset)

Reids對(duì)整數(shù)存儲(chǔ)專門作了優(yōu)化，intset就是redis用于保存整數(shù)值的集合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。當(dāng)一個(gè)結(jié)合中只包含整數(shù)元素，redis就會(huì)用這個(gè)來存儲(chǔ)。

127.0.0.1:6379[2]> sadd number 1 2 3 4 5 6  (integer) 6  127.0.0.1:6379[2]> object encoding number  "intset"

源碼

intset數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

typedef struct intset {      // 編碼方式      uint32_t encoding;      // 集合包含的元素?cái)?shù)量      uint32_t length;      // 保存元素的數(shù)組      int8_t contents[];  } intset;

你肯定很好奇編碼方式(encoding)字段是干嘛用的呢？

•  如果 encoding 屬性的值為 INTSET_ENC_INT16 ， 那么 contents 就是一個(gè) int16_t 類型的數(shù)組， 數(shù)組里的每個(gè)項(xiàng)都是一個(gè) int16_t 類型的整數(shù)值 （最小值為 -32,768 ，最大值為 32,767 ）。

•  如果 encoding 屬性的值為 INTSET_ENC_INT32 ， 那么 contents 就是一個(gè) int32_t 類型的數(shù)組， 數(shù)組里的每個(gè)項(xiàng)都是一個(gè) int32_t 類型的整數(shù)值 （最小值為 -2,147,483,648 ，最大值為 2,147,483,647 ）。

•  如果 encoding 屬性的值為 INTSET_ENC_INT64 ， 那么 contents 就是一個(gè) int64_t 類型的數(shù)組， 數(shù)組里的每個(gè)項(xiàng)都是一個(gè) int64_t 類型的整數(shù)值 （最小值為 -9,223,372,036,854,775,808 ，最大值為 9,223,372,036,854,775,807 ）。

說白了就是根據(jù)contents字段來判斷用哪個(gè)int類型更好，也就是對(duì)int存儲(chǔ)作了優(yōu)化。

說到優(yōu)化，那redis如何作的呢？就涉及到了升級(jí)。

5.1 encoding升級(jí)

如果我們有個(gè)Int16類型的整數(shù)集合，現(xiàn)在要將65535(int32)加進(jìn)這個(gè)集合，int16是存儲(chǔ)不下的，所以就要對(duì)整數(shù)集合進(jìn)行升級(jí)。

它是怎么升級(jí)的呢(過程)？

假如現(xiàn)在有2個(gè)int16的元素:1和2，新加入1個(gè)int32位的元素65535。

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2.  內(nèi)存重分配，新加入后應(yīng)該是3個(gè)元素，所以分配3*32-1=95位。

3.  選擇最大的數(shù)65535, 放到(95-32+1, 95)位這個(gè)內(nèi)存段中，然后2放到(95-32-32+1+1, 95-32)位...依次類推。

升級(jí)的好處是什么呢？

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2.  提高了整數(shù)集合的靈活性。

3.  盡可能節(jié)約內(nèi)存(能用小的就不用大的)。

5.2 不支持降級(jí)

按照上面的例子，如果我把65535又刪掉，encoding會(huì)不會(huì)又回到Int16呢，答案是不會(huì)的。官方?jīng)]有給出理由，我覺得應(yīng)該是降低性能消耗吧，畢竟調(diào)整一次是O(N)的時(shí)間復(fù)雜度。

6. 壓縮列表(ziplist)

ziplist是redis為了節(jié)約內(nèi)存而開發(fā)的順序型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。它被用在列表鍵和哈希鍵中。一般用于小數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

引用https://segmentfault.com/a/1190000016901154中的兩個(gè)圖：

6.1 源碼

ziplist沒有明確定義結(jié)構(gòu)體，這里只作大概的演示。

typedef struct entry {       /*前一個(gè)元素長(zhǎng)度需要空間和前一個(gè)元素長(zhǎng)度*/      unsigned int prevlengh;       /*元素內(nèi)容編碼*/      unsigned char encoding;       /*元素實(shí)際內(nèi)容*/      unsigned char *data;  }zlentry;

typedef struct ziplist{       /*ziplist分配的內(nèi)存大小*/       uint32_t zlbytes;       /*達(dá)到尾部的偏移量*/       uint32_t zltail;       /*存儲(chǔ)元素實(shí)體個(gè)數(shù)*/       uint16_t zllen;       /*存儲(chǔ)內(nèi)容實(shí)體元素*/       unsigned char* entry[];       /*尾部標(biāo)識(shí)*/       unsigned char zlend;  }ziplist;

第一次看可能會(huì)特別蒙蔽，你細(xì)細(xì)的把我這段話看完就一定能懂。

Entry的分析

entry結(jié)構(gòu)體里面有三個(gè)重要的字段：

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2.  previous_entry_length: 這個(gè)字段記錄了ziplist中前一個(gè)節(jié)點(diǎn)的長(zhǎng)度，什么意思？就是說通過該屬性可以進(jìn)行指針運(yùn)算達(dá)到表尾向表頭遍歷，這個(gè)字段還有一個(gè)大問題下面會(huì)講。

3.  encoding:記錄了數(shù)據(jù)類型(int16? string?)和長(zhǎng)度。

4.  data/content: 記錄數(shù)據(jù)。

連鎖更新

previous_entry_length字段的分析

上面有說到，previous_entry_length這個(gè)字段存放上個(gè)節(jié)點(diǎn)的長(zhǎng)度，那默認(rèn)長(zhǎng)度給分配多少呢?redis是這樣分的，如果前節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)度小于254,就分配1字節(jié)，大于的話分配5字節(jié)，那問題就來了。

如果前一個(gè)節(jié)點(diǎn)的長(zhǎng)度剛開始小于254字節(jié)，后來大于254,那不就存放不下了嗎？ 這就涉及到previous_entry_length的更新，但是改一個(gè)肯定不行阿，后面的節(jié)點(diǎn)內(nèi)存信息都需要改。所以就需要重新分配內(nèi)存，然后連鎖更新包括該受影響節(jié)點(diǎn)后面的所有節(jié)點(diǎn)。

除了增加新節(jié)點(diǎn)會(huì)引發(fā)連鎖更新、刪除節(jié)點(diǎn)也會(huì)觸發(fā)。

7. 快速列表(quicklist)

一個(gè)由ziplist組成的雙向鏈表。但是一個(gè)quicklist可以有多個(gè)quicklist節(jié)點(diǎn)，它很像B樹的存儲(chǔ)方式。是在redis3.2版本中新加的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用在列表的底層實(shí)現(xiàn)。

結(jié)構(gòu)體源碼

表頭結(jié)構(gòu)： 

typedef struct quicklist {     //指向頭部(最左邊)quicklist節(jié)點(diǎn)的指針     quicklistNode *head;      //指向尾部(最右邊)quicklist節(jié)點(diǎn)的指針     quicklistNode *tail;      //ziplist中的entry節(jié)點(diǎn)計(jì)數(shù)器     unsigned long count;        /* total count of all entries in all ziplists */      //quicklist的quicklistNode節(jié)點(diǎn)計(jì)數(shù)器     unsigned int len;           /* number of quicklistNodes */      //保存ziplist的大小，配置文件設(shè)定，占16bits     int fill : 16;              /* fill factor for individual nodes */      //保存壓縮程度值，配置文件設(shè)定，占16bits，0表示不壓縮     unsigned int compress : 16; /* depth of end nodes not to compress;0=off */ } quicklist;

quicklist節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)：

typedef struct quicklistNode {      struct quicklistNode *prev;     //前驅(qū)節(jié)點(diǎn)指針      struct quicklistNode *next;     //后繼節(jié)點(diǎn)指針      //不設(shè)置壓縮數(shù)據(jù)參數(shù)recompress時(shí)指向一個(gè)ziplist結(jié)構(gòu)      //設(shè)置壓縮數(shù)據(jù)參數(shù)recompress指向quicklistLZF結(jié)構(gòu)      unsigned char *zl;      //壓縮列表ziplist的總長(zhǎng)度     unsigned int sz;                  /* ziplist size in bytes */      //ziplist中包的節(jié)點(diǎn)數(shù)，占16 bits長(zhǎng)度      unsigned int count : 16;          /* count of items in ziplist */      //表示是否采用了LZF壓縮算法壓縮quicklist節(jié)點(diǎn)，1表示壓縮過，2表示沒壓縮，占2 bits長(zhǎng)度      unsigned int encoding : 2;        /* RAW==1 or LZF==2 */      //表示一個(gè)quicklistNode節(jié)點(diǎn)是否采用ziplist結(jié)構(gòu)保存數(shù)據(jù)，2表示壓縮了，1表示沒壓縮，默認(rèn)是2，占2bits長(zhǎng)度      unsigned int container : 2;       /* NONE==1 or ZIPLIST==2 */      //標(biāo)記quicklist節(jié)點(diǎn)的ziplist之前是否被解壓縮過，占1bit長(zhǎng)度      //如果recompress為1，則等待被再次壓縮      unsigned int recompress : 1; /* was this node previous compressed? */      //測(cè)試時(shí)使用      unsigned int attempted_compress : 1; /* node can't compress; too small */      //額外擴(kuò)展位，占10bits長(zhǎng)度      unsigned int extra : 10; /* more bits to steal for future usage */  } quicklistNode;

相關(guān)配置

在redis.conf中的ADVANCED CONFIG部分：

list-max-ziplist-size -2  list-compress-depth 0

list-max-ziplist-size參數(shù)

我們來詳細(xì)解釋一下list-max-ziplist-size這個(gè)參數(shù)的含義。它可以取正值，也可以取負(fù)值。

當(dāng)取正值的時(shí)候，表示按照數(shù)據(jù)項(xiàng)個(gè)數(shù)來限定每個(gè)quicklist節(jié)點(diǎn)上的ziplist長(zhǎng)度。比如，當(dāng)這個(gè)參數(shù)配置成5的時(shí)候，表示每個(gè)quicklist節(jié)點(diǎn)的ziplist最多包含5個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)。

當(dāng)取負(fù)值的時(shí)候，表示按照占用字節(jié)數(shù)來限定每個(gè)quicklist節(jié)點(diǎn)上的ziplist長(zhǎng)度。這時(shí)，它只能取-1到-5這五個(gè)值，每個(gè)值含義如下：

-5: 每個(gè)quicklist節(jié)點(diǎn)上的ziplist大小不能超過64 Kb。（注：1kb => 1024 bytes）

-4: 每個(gè)quicklist節(jié)點(diǎn)上的ziplist大小不能超過32 Kb。

-3: 每個(gè)quicklist節(jié)點(diǎn)上的ziplist大小不能超過16 Kb。

-2: 每個(gè)quicklist節(jié)點(diǎn)上的ziplist大小不能超過8 Kb。（-2是Redis給出的默認(rèn)值）

list-compress-depth參數(shù)

這個(gè)參數(shù)表示一個(gè)quicklist兩端不被壓縮的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。注：這里的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)是指quicklist雙向鏈表的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，而不是指ziplist里面的數(shù)據(jù)項(xiàng)個(gè)數(shù)。實(shí)際上，一個(gè)quicklist節(jié)點(diǎn)上的ziplist，如果被壓縮，就是整體被壓縮的。

參數(shù)list-compress-depth的取值含義如下：

0: 是個(gè)特殊值，表示都不壓縮。這是Redis的默認(rèn)值。 1: 表示quicklist兩端各有1個(gè)節(jié)點(diǎn)不壓縮，中間的節(jié)點(diǎn)壓縮。 2: 表示quicklist兩端各有2個(gè)節(jié)點(diǎn)不壓縮，中間的節(jié)點(diǎn)壓縮。 3: 表示quicklist兩端各有3個(gè)節(jié)點(diǎn)不壓縮，中間的節(jié)點(diǎn)壓縮。 依此類推

Redis對(duì)于quicklist內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的壓縮算法，采用的LZF——一種無損壓縮算法。

關(guān)于怎么進(jìn)行Redis數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)底層實(shí)現(xiàn)就分享到這里了，希望以上內(nèi)容可以對(duì)大家有一定的幫助，可以學(xué)到更多知識(shí)。如果覺得文章不錯(cuò)，可以把它分享出去讓更多的人看到。