Redis之字典

字典本身就是很常见的数据结构之一，在Redis中，Redis数据库就是使用字典来作为底层实现的，除了用来表示数据库之外，字典还是哈希键的底层实现之一。

建议阅读：
1、字典部分源码研究见： wenmingxing Redis源码研究之dict

I、字典的实现

Redis的字典使用哈希表作为底层实现。

1.1 哈希表

Redis字典所使用的哈希表结构定义如下：

typedef struct dictht {

    // 哈希表数组
    dictEntry **table;

    // 哈希表大小
    unsigned long size;

    // 哈希表大小掩码，用于计算索引值
    // 总是等于 size - 1
    unsigned long sizemask;

    // 该哈希表已有节点的数量
    unsigned long used;

} dictht;

table属性是一个数组，数组中的每个元素都指向一个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，即table数组的大小，而used属性则记录了哈希表目前已有键值对的数量。

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。

下图展示了一个大小为4的空哈希表：

1.2 哈希表节点

哈希表节点使用dictEntry结构表示，每个dictEntry结构都保存一个键值对：

typedef struct dictEntry {

    // 键
    void *key;

    // 值
    union {
        void *val;
        uint64_t u64;
        int64_t s64;
    } v;

    // 指向下个哈希表节点，形成链表
    struct dictEntry *next;

} dictEntry;

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

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起，来解决键冲突问题（以链表的方式解决冲突问题）。

如下图表示一个完成的哈希表：

1.3 字典

Redis中的字典结果如下：

typedef struct dict {

    // 类型特定函数
    dictType *type;

    // 私有数据
    void *privdata;

    // 哈希表
    dictht ht[2];

    // rehash 索引
    // 当 rehash 不在进行时，值为 -1
    int rehashidx; /* rehashing not in progress if rehashidx == -1 */

} dict;

type属性和privdata属性是针对不同类型的键值对，而创建多态字典而设置的：
type属性是一个指向dictType结构的指针，每个dictType结构保存了一组用于操作特定类型键值对的函数，Redis会为用途不同的字典设置不同类型的特定函数。
而privadata属性则保存了需要传给那些类型特定函数的可选参数。

ht属性是一个包含了两个项的数组，数组中每个项都是一个dictht哈希表，一般情况下，字典只使用ht[0]哈希表，而ht[1]哈希表只对ht[0]哈希表进行rehash时使用。

另一个与rehash有关的就是rehashidx属性，它积累了rehash目前的进度，如果没有进行rehash，则它的值为-1。

下图为一个普通状态下的字典结构：

II、哈希算法

将一个新的键值对添加到字典里面的时候，程序需要先根据键值对上面的键来计算出哈希值和索引值，然后再根据索引值，将包含新键值对的哈希表节点放到哈希数组的指定索引上面。

Redis计算哈希值和索引值的方法如下：

# 使用字典设置的哈希函数，计算键 key 的哈希值
hash = dict->type->hashFunction(key);

# 使用哈希表的 sizemask 属性和哈希值，计算出索引值
# 根据情况不同， ht[x] 可以是 ht[0] 或者 ht[1]
index = hash & dict->ht[x].sizemask;

下面举例说明一个完整的添加键值对过程：

首先程序会先使用语句hash = dict->type->hashFunction(k0);计算的处k0的哈希值。
假设计算出的哈希值为8，则程序继续index = hash & dict->ht[0].sizemask = 8 & 3 = 0;计算得到k0的索引值为0，这表示包含这个键值对的节点应该放置到哈希表数组的索引0位置上。

tip： Redis使用MurmurHash2算法来计算键的哈希值。

III、解决键冲突

Redis哈希表使用链地址法来解决键冲突，每个哈希表节点都有一个next指针，多个哈希表节点可以用next构成一个单向链表，被分配到同一个索引上的节点可以用这个单向链表连接起来，从而解决键冲突问题。

下面的例子说明一个解决键冲突的实例：

另外因为dictEntry节点组成的链表没有指向链表表尾的指针，为了考虑速度，程序总是将新节点添加到链表的表头位置（这样添加节点的时间复杂度为O(1)）。

IV、rehash

随着操作的不断进行，哈希表保存的键值对会逐渐增多或减少，为了让哈希表负载因子维持在一个合理范围之内，当哈希表保存的键值对太多或太少时，程序要对哈希表的大小进行相应的扩展或收缩。

Redis对字典的哈希表执行rehash的步骤如下：

为字典的ht[1]哈希表分配空间，这个空间大小取决于要执行的操作：
如果执行的是扩展操作，则ht[1]的大小为第一个大于等于等于ht[0].used*2的2^n；
如果执行的收缩操作，则ht[1]的大小为第一个大于等于ht[0].used的2^n；
将保存在ht[0]中的所有键值对rehash到ht[1]上面：rehash指的是重新计算键的哈希值和索引值，然后将键值对放置到ht[1]的指定位置上。
当ht[0]包含的所有键值对都迁移到ht[1]之后，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。

下面为一个rehash的实例：

2*4 = 8(2^3)：

重新计算索引，并复制：

哈希表的扩展与收缩
当以下条件中任意一个被满足时，程序会自动开始对哈希表执行扩展操作：

服务器目前没有执行BGSAVE或BGREWRITEAOF命令，并且哈希表负载因子大于等于1。
服务器正在执行BGSAVE或BGREWRITEAOF命令，并且哈希表负载因子大于等于5。

区分这两种情况的目的在于，因为执行BGSAVE与BGREWRITEAOF过程中，Redis都需要创建子进程，而大多数操作系统都采用写时复制技术来优化子进程使用效率，所以在子进程存在期间，服务器会提高执行扩展操作所需的负载因子，从而尽可能避免在子进程存在期间进行哈希表扩展操作，这可以避免不必要的内存写入，最大限度的节约空间。

另一方面，当哈希表负载因子小于0.1时，程序自动开始对哈希表执行收缩操作。

V、渐进式rehash

Redis中的rehash动作并不是一次性、集中式完成的，而是分多次、渐进式的完成的。

这样做的目的是，如果服务器中包含很多键值对，要一次性的将这些键值对全部rehash到ht[1]的话，庞大的计算量可能导致服务器在一段时间内停止服务于。

为了避免这种影响，Redis采用了渐进式Redis：

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，并将它置为0，表示rehash工作开始。
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]中，当rehash工作完成之后，程序将rehashidx属性的值+1。
随着字典操作的不断进行，最终在某个时间点上，ht[0]的所有键值对都被rehash到ht[1]上，这时将rehashidx属性设为-1，表示rehash完成。

渐进式rehash的好处在于其采取分而治之的方式，将rehash键值对所需要的计算工作均摊到字典的每个添加、删除、查找和更新操作上，从而避免了集中式rehash而带来的庞大计算量。

下面为一个渐进式rehash的实例：