redis系列之------字典

前言

字典， 又称符号表（symbol table）、关联数组（associative array）或者映射（map）， 是一种用于保存键值对（key-value pair）的抽象数据结构。

在字典中， 一个键（key）可以和一个值（value）进行关联（或者说将键映射为值）， 这些关联的键和值就被称为键值对。

字典中的每个键都是独一无二的， 程序可以在字典中根据键查找与之关联的值， 或者通过键来更新值， 又或者根据键来删除整个键值对， 等等。

字典经常作为一种数据结构内置在很多高级编程语言里面， 但 Redis 所使用的 C 语言并没有内置这种数据结构， 因此 Redis 构建了自己的字典实现。

字典在 Redis 中的应用相当广泛， 比如 Redis 的数据库就是使用字典来作为底层实现的， 对数据库的增、删、查、改操作也是构建在对字典的操作之上的。

因此，了解字典对我们了解Redis数据库有很大的帮助。同时可以跟Java的HashMap进行对比，看看孰好孰坏。

 

字典的定义

 1 typedef struct dict {
 2 
 3     // 类型特定函数
 4     dictType *type;
 5 
 6     // 私有数据
 7     void *privdata;
 8 
 9     // 哈希表
10     dictht ht[2];
11 
12     // rehash 索引
13     // 当 rehash 不在进行时，值为 -1
14     int rehashidx; /* rehashing not in progress if rehashidx == -1 */
15 
16 } dict;

主要看ht，和rehashidx两个参数。

ht 属性是一个包含两个项的数组， 数组中的每个项都是一个 dictht 哈希表， 一般情况下， 字典只使用 ht[0] 哈希表， ht[1] 哈希表只会在对 ht[0] 哈希表进行 rehash 时使用。

除了 ht[1] 之外， 另一个和 rehash 有关的属性就是 rehashidx ： 它记录了 rehash 目前的进度， 如果目前没有在进行 rehash ， 那么它的值为 -1 。

 

 1 typedef struct dictht {
 2 
 3     // 哈希表数组
 4     dictEntry **table;
 5 
 6     // 哈希表大小
 7     unsigned long size;
 8 
 9     // 哈希表大小掩码，用于计算索引值
10     // 总是等于 size - 1
11     unsigned long sizemask;
12 
13     // 该哈希表已有节点的数量
14     unsigned long used;
15 
16 } dictht;

table 属性是一个数组， 数组中的每个元素都是一个指向 dict.h/dictEntry 结构的指针， 每个 dictEntry 结构保存着一个键值对。

size 属性记录了哈希表的大小， 也即是 table 数组的大小

sizemask 属性的值总是等于 size-1 ， 这个属性和哈希值一起决定一个键应该被放到 table 数组的哪个索引上面。(不是很清楚，为什么要单独定义一个mask，而不直接size-1)；

而 used 属性则记录了哈希表目前已有节点（键值对）的数量。

 

 1 typedef struct dictEntry {
 2 
 3     // 键
 4     void *key;
 5 
 6     // 值
 7     union {
 8         void *val;
 9         uint64_t u64;
10         int64_t s64;
11     } v;
12 
13     // 指向下个哈希表节点，形成链表
14     struct dictEntry *next;
15 
16 } dictEntry;

key 属性保存着键值对中的键， 而 v 属性则保存着键值对中的值， 其中键值对的值可以是一个指针， 或者是一个 uint64_t 整数， 又或者是一个 int64_t 整数。

next 属性是指向另一个哈希表节点的指针， 这个指针可以将多个哈希值相同的键值对连接在一次， 以此来解决键冲突（collision）的问题。

可以明显的看出来，redis是通过链表来解决hash冲突的。

 

因此，redis的字典大概如下：

 

 

 

 

                                                                   

 

                                   

 

Rehash

随着操作的不断执行， 哈希表保存的键值对会逐渐地增多或者减少， 为了让哈希表的负载因子（load factor）维持在一个合理的范围之内， 当哈希表保存的键值对数量太多或者太少时， 程序需要对哈希表的大小进行相应的扩展或者收缩。

也就是我们常说的，扩容，再次hash。

Redis rehash过程：

• 为字典的 ht[1] 哈希表分配空间。一般为原字典的两倍，即 ht[0] * 2；
• 将保存在 ht[0] 中的所有键值对 rehash 到 ht[1] 上面
• 当 ht[0] 包含的所有键值对都迁移到了 ht[1] 之后 （ht[0] 变为空表）， 释放 ht[0] ， 将 ht[1] 设置为 ht[0] ， 并在 ht[1] 新创建一个空白哈希表， 为下一次 rehash 做准备。

但其实rehash是非常的耗时间的。假设ht[0]非常的大呢？ 40W，400W，甚至4000W呢？

一次rehash甚至可能导致redis宕机，所以出现了渐进式hash。

 

渐进式Rehash

这个 rehash 动作并不是一次性、集中式地完成的， 而是分多次、渐进式地完成的。为了避免 rehash 对服务器性能造成影响， 服务器不是一次性将 ht[0] 里面的所有键值对全部 rehash 到 ht[1] ， 而是分多次、渐进式地将 ht[0] 里面的键值对慢慢地 rehash 到 ht[1] 。

• 为 ht[1] 分配空间， 让字典同时持有 ht[0] 和 ht[1] 两个哈希表。
• 在字典中维持一个索引计数器变量 rehashidx ， 并将它的值设置为 0 ， 表示 rehash 工作正式开始。
• 在 rehash 进行期间， 每次对字典执行添加、删除、查找或者更新操作时， 程序除了执行指定的操作以外， 还会顺带将 ht[0] 哈希表在 rehashidx 索引上的所有键值对 rehash 到 ht[1] ， 当 rehash 工作完成之后， 程序将 rehashidx 属性的值增一。
• 随着字典操作的不断执行， 最终在某个时间点上， ht[0] 的所有键值对都会被 rehash 至 ht[1] ， 这时程序将 rehashidx 属性的值设为 -1 ， 表示 rehash 操作已完成。

扩容代码大致如下：

 1 int dictRehash(dict *d, int n) {
 2     int empty_visits = n*10; /* Max number of empty buckets to visit. */
 3 
 4     // 判断是否正在扩容
 5     if (!dictIsRehashing(d)) return 0;
 6 
 7     while(n-- && d->ht[0].used != 0) {
 8         dictEntry *de, *nextde;
 9 
10         /* Note that rehashidx can't overflow as we are sure there are more
11          * elements because ht[0].used != 0 */
12         assert(d->ht[0].size > (unsigned long)d->rehashidx);
13 
14         // 找到一个不为空的桶，进行迁移
15         while(d->ht[0].table[d->rehashidx] == NULL) {
16             d->rehashidx++;
17             if (--empty_visits == 0) return 1;
18         }
19         // 找到这个桶第一个指针节点
20         de = d->ht[0].table[d->rehashidx];
21         // 将这个桶中的所有的key节点转移到新的数组中。while循环链表
22         while(de) {
23             uint64_t h;
24 
25             nextde = de->next;
26             /* Get the index in the new hash table */
27             h = dictHashKey(d, de->key) & d->ht[1].sizemask;
28             de->next = d->ht[1].table[h];
29             d->ht[1].table[h] = de;
30             d->ht[0].used--;
31             d->ht[1].used++;
32             de = nextde;
33         }
34         // 旧的桶节点置为null，并且rehashidx+1
35         d->ht[0].table[d->rehashidx] = NULL;
36         d->rehashidx++;
37     }
38 
39     /* Check if we already rehashed the whole table... */
40     if (d->ht[0].used == 0) {
41         zfree(d->ht[0].table);
42         d->ht[0] = d->ht[1];
43         _dictReset(&d->ht[1]);
44         d->rehashidx = -1;
45         return 0;
46     }
47 
48     /* More to rehash... */
49     return 1;
50 }

 

在进行渐进式 rehash 的过程中， 字典会同时使用 ht[0] 和 ht[1] 两个哈希表， 所以在渐进式 rehash 进行期间， 字典的删除（delete）、查找（find）、更新（update）等操作会在两个哈希表上进行： 比如说， 要在字典里面查找一个键的话， 程序会先在 ht[0]里面进行查找， 如果没找到的话， 就会继续到 ht[1] 里面进行查找， 诸如此类。

另外， 在渐进式 rehash 执行期间， 新添加到字典的键值对一律会被保存到 ht[1] 里面， 而 ht[0] 则不再进行任何添加操作： 这一措施保证了 ht[0] 包含的键值对数量会只减不增， 并随着 rehash 操作的执行而最终变成空表。

 

所遇到问提

问题一：

要在字典里面查找一个键的话， 程序会先在 ht[0]里面进行查找， 如果没找到的话， 就会继续到 ht[1] 里面进行查找， 诸如此类。

这一点其实我比较有疑惑？为何要先去ht[0]中查找，找不到再去ht[1]中查找，这样岂不是效率低下，查找了两张表。不能根据hash值和rehashidx进行比较判断么？只查一张表不行么？

为此我翻阅了不少资料：

这是redis官方其他人的pull request：https://github.com/antirez/redis/pull/5692    暂时还没有merge

同时这是我和一位大佬的讨论：https://github.com/Junnplus/blog/issues/35   最终得出结论

还是看源码：(源码真是一个好东西)

 1 for (table = 0; table <= 1; table++) {
 2     // 找到key的index
 3     idx = h & d->ht[table].sizemask;
 4     // 拿到key值对应的value
 5     he = d->ht[table].table[idx];
 6     while(he) {
 7         if (key==he->key || dictCompareKeys(d, key, he->key))
 8             return he;
 9         he = he->next;
10     }
11     if (!dictIsRehashing(d)) return NULL;
12 }

其实只有两种情况

• key在ht[0]，还没有迁移
• key在ht[1]，已经迁移了。

针对第一种情况，他在第一层的循环已经找到了key值，并且返回(第八行)，不再继续后面操作，因此不存在效率问题。

第二种情况，看第五行，he此时为null，根本不会循环链表。然后第二次循环才能找到key。而第一次是做了一次hash，复杂度为O(1)。效率几乎是没有损失，因此也不存在效率问题。

综上：我得出的结论是。可以拿idx和rehashidx进行对比，同时也可以像redis这样写，不会损失效率。redis可能为了代码的简洁以及统一，不想写那么多的判断条件，因此没有比较idx和rehashidx。

当我认为提前结束会更好，毕竟不用后续判断了，也比较清楚。类似这个request：https://github.com/antirez/redis/pull/5692/files

 

问题二：

假如在redis准备进行rehash的时候，他需要为ht[1]申请一块内存，这块内存可是ht[0]的两倍哦，那次是计算机内存不存会如何？

梳理一下哈希表大小和内存申请大小的对应关系：

                                                                         

正常状态下，redis为ht[1]分配完内存后，会持续一段时间进行rehash。rehash完毕后，就会释放ht[0]内存了。类似如下图：

内存先上升，后下降。

 

但此时内存不存的话，Redis会进行大量的Key驱逐，也就是会淘汰掉很久未使用的key，跟LRU有点类似。

那么此时可能就会影响到了业务，这是非常大的问题呢。

那么针对在Redis满容驱逐状态下，如何避免因Rehash而导致Redis抖动的这种问题。

• 我们在Redis Rehash源码实现的逻辑上，加上了一个判断条件，如果现有的剩余内存不够触发Rehash操作所需申请的内存大小，即不进行Resize操作；
• 通过提前运营进行规避，比如容量预估时将Rehash占用的内存考虑在内，或者通过监控定时扩容。

 

 

 

参考文献：

《redis设计与实现》  http://redisbook.com/preview/dict/incremental_rehashing.html

《美团针对Redis Rehash机制的探索和实践》  https://tech.meituan.com/2018/07/27/redis-rehash-practice-optimization.html

《Redis源码分析》  https://github.com/Junnplus/blog/issues/35