Redis中SDS簡單動態(tài)字符串問題怎么解決

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一、SDS的結(jié)構(gòu) 

c語言沒有string類型，本質(zhì)是char[]數(shù)組；而且c語言數(shù)組創(chuàng)建時(shí)必須初始化大小，指定類型后就不能改變，并且字符數(shù)組的最后一個(gè)元素總是空字符 '\0' 。

以下展示了一個(gè)值為 "Redis" 的 C 字符串：

Redis沒有直接使用C語言的字符串方式，而是構(gòu)建了一種簡單動態(tài)字符串（Simple dynamic string， SDS）的類型，Redis中的字符串底層都是使用SDS結(jié)構(gòu)進(jìn)行存儲，比如包含字符串的鍵值對底層都是使用SDS結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。

SDS結(jié)構(gòu)定義在sds.h中

struct sdshdr{


    int len;//SDS保存的字符串長度


    int free;//buf數(shù)組中未使用字節(jié)數(shù)量


    char buf[];//字符數(shù)組，保存字符串


}

最后一個(gè)字節(jié)保存了空字符'\0'，保留了C字符串的規(guī)范，使得SDS結(jié)構(gòu)的字符串，可以重用一部分C函數(shù)庫的函數(shù)。

二、為什么不使用C字符串

主要是因?yàn)镃字符串有以下缺點(diǎn)：

獲取字符串長度時(shí)間復(fù)雜度為O(N)：C字符串獲取長度需遍歷整個(gè)字符串，遇到'\0'空字符為止。 緩沖區(qū)溢出：比如在進(jìn)行字符串追加操作時(shí)，如果沒有分配足夠的內(nèi)存，就會造成內(nèi)存溢出。 內(nèi)存重分配：每次增長或者截短字符串，程序都要對保存C字符串的數(shù)組進(jìn)行內(nèi)存重分配操作，而內(nèi)存重分配涉及復(fù)雜的算法，并可能需要執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用，所以它通常比較耗時(shí)。 空字符問題：C字符串中間不能保存空格，否則程序遍歷是會誤認(rèn)為是字符串的末尾。這一限制導(dǎo)致C字符串只能存儲文本數(shù)據(jù)，不能保存像圖片、音視頻、壓縮文件等二進(jìn)制數(shù)據(jù)。

三、怎樣解決C字符串問題 

1、SDS通過len屬性記錄了SDS長度，所以獲取長度的時(shí)間復(fù)雜度為O(1)，即strlen命令的時(shí)間復(fù)雜度是O(1)。

2、SDS空間分配策略避免了緩沖區(qū)溢出：當(dāng)對SDS進(jìn)行修改時(shí)，會先檢查SDS空間是否滿足修改，不滿足會自動擴(kuò)展到所需大小，然后才執(zhí)行修改。

3、較少修改字符串時(shí)內(nèi)存重分配次數(shù)：SDS中的free記錄buf字節(jié)數(shù)組中未使用的字節(jié)。

redis通過free屬性實(shí)現(xiàn)空間預(yù)分配、惰性空間釋放兩種優(yōu)化策略。

空間預(yù)分配：當(dāng)對SDS進(jìn)行增長操作時(shí)，程序不僅會分配修改所必須得空間，還會為SDS分配額外的未使用空間。通過預(yù)分配策略，減少了連續(xù)執(zhí)行字符串增長操作時(shí)內(nèi)存重分配次數(shù)。 惰性空間釋放：當(dāng)對SDS進(jìn)行截短操作時(shí)，程序并不會立即回收縮短后多出來的字節(jié)所占用的內(nèi)存，而是使用free屬性記錄多出來的字節(jié)數(shù)，以供將來使用。如果將來要對這個(gè)SDS進(jìn)行增長操作，未使用空間可能就派上用場，并且增長操作也不一定會執(zhí)行內(nèi)存重分配。

SDS結(jié)構(gòu)中的buf字節(jié)數(shù)組，是二進(jìn)制安全的，不僅可以保存字符，也可以保存二進(jìn)制數(shù)據(jù)。

SDS保留了C字符串的慣例，將數(shù)據(jù)的末尾設(shè)置為空字符'\0'，SDS中之所以保留這一規(guī)范是可以重用C字符串函數(shù)庫的一部分函數(shù)，例如追加字符串。

四、對字符串的進(jìn)一步優(yōu)化

Redis string的三種編碼：

int 存儲8個(gè)字節(jié)的長整型(long，2^63-1 ) embstr, embstr格式的SDS (Simple Dynamic String) raw, raw格式的SDS，存儲大于44個(gè)字節(jié)的長字符串

int類型就是指的是數(shù)字，那么raw、embstr都代表的是字符串有什么異同嗎，下面我們分析下。

圖中展示了兩者的區(qū)別，可以看到embstr將redisObject和SDS保存在連續(xù)的64字節(jié)空間內(nèi)，這樣可以只需要一次內(nèi)存分配，而對于raw來說，SDS和redisObject分離，需要兩次內(nèi)存分配，而且占用更多的內(nèi)存空間。

可以看到embstr在3.2+中使用了叫sdshdr8的結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)下，元數(shù)據(jù)只需要3個(gè)字節(jié)，而Redis需要8個(gè)字節(jié)，所以總共64個(gè)字節(jié)，減去redisObject(16字節(jié))，再減去SDS的原信息，最后的實(shí)際內(nèi)容就變成了44字節(jié)和39字節(jié)。

當(dāng)字符串小于等于 44 字節(jié)時(shí)，Redis 就使用了嵌入式字符串的創(chuàng)建方法，以此減少內(nèi)存分配和內(nèi)存碎片。

下面這張圖展示了 createEmbeddedStringObject 創(chuàng)建嵌入式字符串的過程：

總之，只要記住，Redis 會通過設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一塊連續(xù)的內(nèi)存空間，把 redisObject 結(jié)構(gòu)體和 SDS 結(jié)構(gòu)體緊湊地放置在一起。

這樣一來，對于不超過 44 字節(jié)的字符串來說，就可以避免內(nèi)存碎片和兩次內(nèi)存分配的開銷了。

SDS是Redis中一種高效的字符串實(shí)現(xiàn)方式，它具有自動擴(kuò)容、二進(jìn)制安全、O(1)長度獲取和修改等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際的應(yīng)用中，SDS可以幫助我們實(shí)現(xiàn)高效的字符串操作，同時(shí)也可以避免一些常見的字符串操作問題，比如緩沖區(qū)溢出等。通過深入了解SDS的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)原理，我們可以更好地理解Redis的底層機(jī)制，進(jìn)一步提升我們的Redis應(yīng)用能力。

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