redis对象
redis对象
前面我们学习了redis各种数据结构，包括简单动态字符串、链表、字典、哈希表、整数集合、压缩列表，其实redis实际不是直接使用这些数据结构的，而是使用称为redis对象的数据结构：redisObject。
1. redis对象定义
redis对象的定义如下：
typedef struct redisObject {
//对象类型
unsigned type:4;
//对象编码
unsigned encoding:4;
//最后一次被访问的时间
unsigned lru:LRU_BITS; /* lru time (relative to server.lruclock) */
//对象的引用计数
int refcount;
//底层数据结构
void *ptr;
} robj;1.1 对象类型-type
其中type表示的是具体数据类型，类型包括如下几种：
| 类型常量 | 对象的名称 |
|---|---|
| REDIS_STRING | 字符串对象 |
| REDIS_LIST | 列表对象 |
| REDIS_HASH | 哈希对象 |
| REDIS_SET | 集合对象 |
| REDIS_ZSET | 有序集合对象 |
redis中的键总是一个字符串对象，值可以是上述几种对象的一种。
当我们对redis键使用type命令时，返回的结果是值的类型，看下例：
127.0.0.1:6379> set msg "hello world"
OK
127.0.0.1:6379> type msg
string
127.0.0.1:6379> hset jack age 23
(integer) 1
127.0.0.1:6379> type jack
hash键msg对应的值对象是字符串对象、键jack对应的值对象是哈希对象，下表展示了不同对象类型type命令的输出：
| 对象 | 对象type属性的值 | type命令的输出 |
|---|---|---|
| 字符串对象 | REDIS_STRING | “string” |
| 列表对象 | REDIS_LIST | “list” |
| 哈希对象 | REDIS_HASH | “hash” |
| 集合对象 | REDIS_SET | ”set” |
| 有序集合对象 | REDIS_ZSET | “zset” |
1.2 对象编码-encoding
encoding记录了对象的编码，也就是这个对象使用了什么样的底层数据结构实现的，下表展示了encoding的可能取值：
| 编码常量 | 编码所对应的底层数据结构 |
|---|---|
| REDIS_ENCODING_INT | long类型的整数 |
| REDIS_ENCODING_EMBSTR | embstr编码的简单动态字符串 |
| REDIS_ENCODING_RAW | 简单动态字符串 |
| REDIS_ENCODING_HT | 字典 |
| REDIS_ENCODING_LINKEDLIST | 双端链表 |
| REDIS_ENCODING_ZIPLIST | 压缩列表 |
| REDIS_ENCODING_INTSET | 整数集合 |
| REDIS_ENCODING_SKIPLIST | 跳表和字典 |
下表展示了每种类型的对象使用的所有可能编码：
| 类型 | 编码 | 对象 |
|---|---|---|
| REDIS_STRING | REDIS_ENCODING_INT | 使用整数实现的字符串对象 |
| REDIS_STRING | REDIS_ENCODING_EMBSTR | 使用embstr编码的简单动态字符串实现的字符串对象 |
| REDIS_STRING | REDIS_ENCODING_RAW | 使用简单动态字符串实现的字符串对象 |
| REDIS_LIST | REDIS_ENCODING_ZIPLIST | 使用压缩列表实现的列表对象 |
| REDIS_LIST | REDIS_ENCODING_LINKEDLIST | 使用双端链表实现的列表对象 |
| REDIS_HASH | REDIS_ENCODING_ZIPLIST | 使用压缩列表实现的哈希对象 |
| REDIS_HASH | REDIS_ENCODING_HT | 使用字典实现的哈希对象 |
| REDIS_SET | REDIS_ENCODING_INTSET | 使用整数集合实现的集合对象 |
| REDIS_SET | REDIS_ENCODING_HT | 使用字典实现的集合对象 |
| REDIS_ZSET | REDIS_ENCODING_ZIPLIST | 使用压缩列表实现的有序集合对象 |
| REDIS_ZSET | REDIS_ENCODING_SKIPLIST | 使用跳表和字典实现的有序集合对象 |
使用object encoding命令可以查看一个键的值对象的编码，例如：
127.0.0.1:6379> set msg "hello redis"
OK
127.0.0.1:6379> type msg
string
127.0.0.1:6379> object encoding msg
"embstr"
127.0.0.1:6379> lpush languages chinese japanese english
(integer) 3
127.0.0.1:6379> type languages
list
127.0.0.1:6379> object encoding languages
"ziplist"其中列表languages的编码是ziplist。
redis每种类型的对象都关联2到3种编码方式，不同的场景使用不同的编码方式，提高了内存使用率。后面会详细介绍每种类型的对象底层不同的编码方式，以及同一种类型的对象不同编码方式的转换和转换条件。
1.3 对象引用计数-refcount
redis通过对象的引用计数字段(refcount)来实现内存的回收。随着对象的使用，该字段也会动态变化
- 创建一个新的对象时，refcount会被初始化为1。
- 当对象被新的程序引用时，refcount计数递增1。
- 当对象不再被一个程序使用时，refcount计数递减1。
- 当refcount等于0的时候，对象所占用的内存会被释放。
除了实现内存回收外，还可以通过引用计数实现对象的共享，例如键A已经创建了包含整数值100的字符串对象，此时若键B也需要整数值100的字符串对象，那么完全可以将键B的值指针指向键A创建的整数值100的字符串对象，并将该对象的引用计数加1 。这种方式极大的提高了内存使用率。
在redis初始化时，会创建10000个从0到9999的字符串对象，这些对象就成为了共享对象。看下例：
127.0.0.1:6379> set k1 123
OK
127.0.0.1:6379> object refcount k1
(integer) 2
127.0.0.1:6379> set k2 123
OK
127.0.0.1:6379> object refcount k2
(integer) 3首先设置k1的值为123，通过object refcount命令看到它的引用计数变为2了。这是因为当redis初始化创建该对象时就将该对象的refcount设置为1，这里又将键k1设置为123，该对象的refcount增加1，变为2。
接着又将k2设置为123，该对象的引用计数加1，变为3。
另外，redis只共享编码为整数的字符串对象。因为只有在共享对象和想要创建的对象相同时，才能使用共享对象。判断两个对象是否相等，对于编码为整数的字符串对象来说，时间复杂度为O(1)；对于编码为字符串的字符串对象来说，时间复杂度为O(N)；对于包含多个值的对象来说，时间复杂度为O(N^2^)，所以为了提高效率，redis只共享编码为整数的字符串对象。
1.4 对象的空转时长-lru
redis对象的lru属性记录了该对象最后被程序访问的时间，该属性可以用来计算键的空转时长，空转时长就是通过将当前的时间减去对象的lru时间计算得到的。例如，通过object idle命令可以查看键的空转时长是多少。
127.0.0.1:6379> object idletime k1
(integer) 700902注意：命令object idletime比较特殊，它不会去修改对象的lru值。
另外，在内存回收的时候，空转时间较长的键可能被优先回收。
1.5 对象的底层实现-ptr
redis对象的ptr字段指向了底层实现，这个底层实现是由encoding值决定的。
2. 字符串对象
字符串对象的类型(type)是string，编码(encoding)是int、raw、embstr的一种。
2.1 int编码的字符串对象
当字符串的值可以用long型整数来表示的时候，redis会将该字符串用int编码。redis会将整数值保存在对象结构的ptr属性里面。此时ptr的类型由原来的void*变为long*。例如，将k1设置为123时，object encoding返回int。
127.0.0.1:6379> set k1 123
OK
127.0.0.1:6379> object encoding k1
"int"该字符串对象如图1示：
图1
2.2 raw编码的字符串对象
当字符串对象保存的是一个字符串值，并且这个字符串值长度大于39字节，redis用简单动态字符串来保存这个值，并将对象的编码设置为raw。看下例子：
图2
2.3 embstr编码的字符串对象
当字符串对象保存的是一个字符串值，并且这个字符串值长度小于等于39字节，redis用embstr编码的方式来保存这个字符串值。
embstr编码是专门用来保存短字符串的一种优化编码方式。embstr编码和raw编码一样，都使用redisObject和sdshdr两种数据结构来表示字符串对象。但是raw编码会调用两次内存分配函数分别为redisObject和sdshdr分配内存空间，而embstr编码只会调用一次内存分配函数为redisObject和sdshdr分配一块连续的内存空间。如下图示，值为”hello”的字符串对象：
图3
这种方式的好处有：
- 分配内存次数降为1次
- 释放内存次数降为1次
- 内存具有连续性，更好利用缓存
最后，double类型也可以通过字符串对象来保存，看下例子：
127.0.0.1:6379> set k3 1.234
OK
127.0.0.1:6379> object encoding k3
"embstr"当在需要的时候，redis会在double和字符串之间正确转换。
2.4 字符串对象各编码之间的转换
int编码的和embstr编码的字符串对象在满足一定的条件下会转换为raw编码来存储。
- 向一个int编码的字符串对象追加字符时，会直接转换成raw编码
- embstr编码的字符串对象执行任何修改时，会直接转换成raw编码，可以认为embstr编码的字符串对象是只读的
3 列表对象
列表对象的编码可以是ziplist和linkedlist。
3.1 ziplist编码的列表对象
下图是一个ziplist编码的列表对象，其中节点元素是字节数组”hello”、整数值23、整数值35。
图4
3.2 linkedlist编码的列表对象
linkedlist编码的列表对象底层使用双端链表实现，每个双端链表节点都是一个字符串对象，下图是一个linkedlist编码的列表对象示意图，其中链表包括两个字符串对象（这里的字符串对象简化了）。
图5
3.3 列表对象各编码之间的转换
当列表对象同时满足如下两个条件时使用ziplist编码，否则使用linkedlist编码
- 列表对象保存的所有字符串对象元素的长度都小于64字节
- 列表对象保存的元素数量小于512个
当然，这两个值是可以在配置文件中修改的。
4. 哈希对象
哈希对象的编码可以是ziplist和hashtable
4.1 ziplist编码的哈希对象
ziplist编码的哈希对象，当有新的键值对需要插入到哈希对象时，首先会将保存键的压缩列表节点保存到压缩列表的表尾，再将保存值的压缩列表节点保存到压缩列表的表尾。因此同一个键值对总是会紧挨在一起，前一个是键，后一个是值。
下图所示压缩列表编码的哈希对象：
图6
该哈希对象包括了两个键值对age:23和name:jack，其中age:23是先添加的，name:jack是后添加的。
4.2 hashtable编码的哈希对象
hashtable编码的哈希对象使用字典作为底层实现。
4.3 哈希对象各编码之间的转换
当哈希对象同时满足以下两个条件时，使用ziplist编码，否则使用hashtable编码
- 哈希对象保存的键值对的键和值长度都小于64字节
- 哈希对象保存的键值对数量小于512个
同样地，这两个数值可以通过配置文件进行配置。
5. 集合对象
集合的编码是intset和hashtable。intset编码的集合使用整数集合作为底层实现。
5.1 intset编码的集合对象
下面例子是一个包含三个整数的集合对象，使用了整数集合编码。
图7
5.2 hashtable编码的集合对象
hashtable编码的集合对象底层是用字典实现的，其中键就是集合的元素（字符串对象），值都是NULL。
5.3 集合对象各编码之间的转换
当集合对象同时满足以下两个条件时，对象使用intset编码，否则使用hashtable编码
- 集合对象保存的值都是整数
- 集合对象保存元素数量不超过512个
其中512这个值是可以通过配制文件修改的。
6. 有序集合对象
有序集合对象的编码可以是ziplist和skiplist。
6.1 ziplist编码的有序集合对象
ziplist编码的有序集合对象，底层使用压缩列表实现，每个集合元素由两部分组成，第一个保存元素的成员，第二个保存元素的分值。并且压缩列表集合内的元素按照分值从小到大排列。
例如，下图是一个压缩列表编码的有序集合对象的例子，其中元素都是按照分值从小到大排序的。
图8
6.2 skiplist实现的有序集合对象
skiplist实现的有序集合对象底层是通过跳表和字典实现的。底层数据结构定义如下：
typedef struct zset {
zskiplist *zsl;
dict *dict;
} zset;其中跳表zsl按分值大小保存了有序集合的所有元素。
字典dict存储了成员到分值的映射。
有序集合对象中的每个成员都是一个字符串对象，每个分值都是一个double类型的浮点数。zsl和dict会共用字符串和分值对象，不会产生额外的内存。
6.3 有序集合对象各编码之间换转换
当有序集合对象同时满足以下两个条件时，使用ziplist编码，否则使用skiplist进行编码
- 有序集合保存的所有元素成员的长度都小于64字节
- 有序集合保存的元素数量小于128个
同样地，这两个值也是可以通过配制文件配制的。
7. 类型检查和命令多态
redis有很多命令，有些命令是通用的，可以对任何键执行。而有些命令只能对特定的键执行。
7.1 类型检查
在执行一个命令前，会首先根据键去查找值对象，然后确定值对象redisObject的type类型是否是执行命令所需要的类型，如果是的话就执行命令，否则返回错误。
7.2 命令多态
除了进行类型检查，redis还可以根据redisObject的编码方式决定如何执行命令。
例如对于ziplist和linkedlist编码的列表对象，当执行命令llen时，显然会执行不同的方法获取列表的长度。
参考：
- Redis设计与实现. 黄健宏著