Redis源码分析之sds
1. SDS简介
Redis没有直接使用C语言传统的字符串而是自己创建了一种名为简单动态字符串SDS（simple dynamic string）的抽象类型，并将SDS用作Redis的默认字符串表示。
在Redis里面，C字符串只会作为字符串字面量（string literal）用在一些无须对字符串值进行修改的地方，比如打印日志。
当Redis需要的不仅仅是一个字符串字面量，而是一个字符串值时，Redis就会使用SDS来表示字符串值，比如在Redis的数据库里面，包含字符串的键值对在底层都是由SDS实现的。
for example：
redis> SET msg "hello world"
OK
那么Redis将在数据库中创建一个新的键值对，其中：
键值对的键就是一个字符串对象，对象的底层实现是一个保存着字符串“msg”的SDS。
键值对的值也是一个字符串对象，对象的底层实现是一个保存着字符串“hello world”的SDS。
除了用来保存数据库中的字符串值之外，SDS还被用作缓冲区(buffer):AOF模块中的AOF缓冲区，以及客户端状态中的输入缓冲区，都是由SDS实现的。
我们需要知道，SDS的实现，SDS与C字符串的不同之处，解释为什么Redis要使用SDS而不是C字符串。
2.1 SDS的定义
Redis没有使用C语言的字符串结构，而是自己设计了一个简单的动态字符串结构sds。它的特点是：可动态扩展内存、二进制安全和传统的C语言字符串类型兼容。（sds的源码主要实现在sds.c和sds.h两个文件中）
在sds.h文件中，我们可以找到sds的数据结构定义如下：
typedef char *sds;
这不就是char吗？的确，Redis采用一整段连续的内存来存储sds结构，char类型正好可以和传统的C语言字符串类型兼容。但是，sds和char*并不等同，sds和char*并不等同，sds是二进制安全的，它可以存储任意二进制数据，不能像C语言字符串那样以’\0’来标识字符串的结束，因此它必然存在一个长度字段，那么这个长度字段在哪呢？如下：
/* Note: sdshdr5 is never used, we just access the flags byte directly.
* However is here to document the layout of type 5 SDS strings. */
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr5 {
unsigned char flags; /* 3 lsb of type, and 5 msb of string length */
char buf[];
};
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr8 {
uint8_t len; /* used */
uint8_t alloc; /* excluding the header and null terminator */
unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits */
char buf[];
};
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr16 {
uint16_t len; /* used */
uint16_t alloc; /* excluding the header and null terminator */
unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits */
char buf[];
};
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr32 {
uint32_t len; /* used */
uint32_t alloc; /* excluding the header and null terminator */
unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits */
char buf[];
};
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr64 {
uint64_t len; /* used */
uint64_t alloc; /* excluding the header and null terminator */
unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits */
char buf[];
};
sds一共有五种Header定义，其目的是为了瞒住不同长度的字符串可以使用不同大小的Header，从而节省内存。
Header部分主要包含以下几个部分，其目的是为了满足不同长度的字符串可以使用不同大小的Header，从而节省内存。
Header部分主要包含以下几个部分：+len：表示字符串真正的长度，不包括空终止字符+alloc：表示字符串的最大容量，不包含Header和最后的空终止字符+flags：表示Header的类型
// 五种header类型，flags取值为0~4
#define SDS_TYPE_5 0
#define SDS_TYPE_8 1
#define SDS_TYPE_16 2
#define SDS_TYPE_32 3
#define SDS_TYPE_64 4
由于sds是采用一段连续的内存空间来存储动态字符串，那么，我们进一步来分析一下sds在内存中的布局。如图是字符串“redis”在内存中的布局示例图：
由于sds的header共有五种，要想得到sds的header属性，就必须先知道header的类型，flags字段存储了header的类型。假如我们定义了sds*s，那么获取flags字段仅仅需要将s向前移动一个字节，即unsigned char flags = s[-1]
获取了header的类型之后，我们就可以按照每个类型header的定义来获取sds的长度，最大容量等属性了。Redis定义了如下几个宏定义来操作header
#define SDS_TYPE_MASK 7 // 类型掩码
#define SDS_TYPE_BITS 3
#define SDS_HDR_VAR(T,s) struct sdshdr##T sh = (void)((s)-(sizeof(struct sdshdr##T))); // 获取header头指针
#define SDS_HDR(T,s) ((struct sdshdr##T *)((s)-(sizeof(struct sdshdr##T)))) // 获取header头指针
#define SDS_TYPE_5_LEN(f) ((f)>>SDS_TYPE_BITS) // 获取sdshdr5的长度
其中SDS_HDR是为了获取header的头指针，即s指针按照header的结构大小向前偏移sizeof(struct sdshdr##T)位，找到了header的头指针，就很容易获取len和alloc的大小了。
到这里，sds的数据结构定义就基本清楚了，下面来看看sds的一些基本操作函数。
sds基本操作函数
sds创建函数
Redis在创建sds时，会为其申请一段连续的内存空间，其中包含sds的header和数据部分buff[]。其创建函数如下：
sds sdsnewlen(const void *init, size_t initlen) {
void sh;
sds s;
char type = sdsReqType(initlen);
// 空的字符串通常被创建成type 8，因为type 5已经不实用了。
if (type == SDS_TYPE_5 && initlen == 0) type = SDS_TYPE_8;
// 得到sds的header的大小
int hdrlen = sdsHdrSize(type);
unsigned char fp; // flags字段的指针
// s_malloc等同于zmalloc，+1代表字符串结束符
sh = s_malloc(hdrlen+initlen+1);
if (!init)
memset(sh, 0, hdrlen+initlen+1);
if (sh == NULL) return NULL;
// s为数据部分的起始指针
s = (char)sh+hdrlen;
fp = ((unsigned char)s)-1; // 得到flags的指针
// 根据字符串类型来设定header中的字段
switch(type) {
case SDS_TYPE_5: {
*fp = type | (initlen << SDS_TYPE_BITS);
break;
}
case SDS_TYPE_8: {
SDS_HDR_VAR(8,s);
sh->len = initlen; // 设定字符串长度
sh->alloc = initlen; // 设定字符串的最大容量
*fp = type;
break;
}
case SDS_TYPE_16: {
SDS_HDR_VAR(16,s);
sh->len = initlen;
sh->alloc = initlen;
*fp = type;
break;
}
case SDS_TYPE_32: {
SDS_HDR_VAR(32,s);
sh->len = initlen;
sh->alloc = initlen;
*fp = type;
break;
}
case SDS_TYPE_64: {
SDS_HDR_VAR(64,s);
sh->len = initlen;
sh->alloc = initlen;
*fp = type;
break;
}
}
if (initlen && init)
memcpy(s, init, initlen); // 拷贝数据部分
s[initlen] = ‘\0’; // 与C字符串兼容
return s; // 返回创建的sds字符串指针
}
sds释放函数
sds的释放采用s_free来释放内存。其实现代码如下：
void sdsfree(sds s) {
if (s == NULL) return;
// 得到内存的真正其实位置，然后释放内存
s_free((char*)s-sdsHdrSize(s[-1]));
}
sds动态调整函数
sds最重要的性能就是动态调整，Redis提供了扩展sds容量的函数。
// 在原有的字符串中取得更大的空间，并返回扩展空间后的字符串
sds sdsMakeRoomFor(sds s, size_t addlen) {
void *sh, *newsh;
size_t avail = sdsavail(s); // 获取sds的剩余空间
size_t len, newlen;
char type, oldtype = s[-1] & SDS_TYPE_MASK;
int hdrlen;// 如果剩余空间足够，则直接返回
if (avail >= addlen) return s;len = sdslen(s);
sh = (char*)s-sdsHdrSize(oldtype);
newlen = (len+addlen);
// sds规定：如果扩展后的字符串总长度小于1M则新字符串长度为扩展后的两倍
// 如果大于1M，则新的总长度为扩展后的总长度加上1M
// 这样做的目的是减少Redis内存分配的次数，同时尽量节省空间
if (newlen < SDS_MAX_PREALLOC) // SDS_MAX_PREALLOC = 1024*1024
newlen *= 2;
else
newlen += SDS_MAX_PREALLOC;
// 根据sds的长度来调整类型
type = sdsReqType(newlen);// 不使用SDS_TYPE_5，一律按SDS_TYPE_8处理
if (type == SDS_TYPE_5) type = SDS_TYPE_8;
// 获取新类型的头长度
hdrlen = sdsHdrSize(type);
if (oldtype==type) {
// 如果与原类型相同，直接调用realloc函数扩充内存
newsh = s_realloc(sh, hdrlen+newlen+1);
if (newsh == NULL) return NULL;
s = (char*)newsh+hdrlen;
} else {
// 如果类型调整了，header的大小就需要调整
// 这时就需要移动buf[]部分，所以不能使用realloc
newsh = s_malloc(hdrlen+newlen+1);
if (newsh == NULL) return NULL;
memcpy((char*)newsh+hdrlen, s, len+1);
s_free(sh);
s = (char*)newsh+hdrlen; // 更新s
s[-1] = type; // 设定新的flags参数
sdssetlen(s, len); // 更新len
}
sdssetalloc(s, newlen); // 更新sds的容量
return s;
}
另外，Redis还提供了回收sds空余空间的函数。
// 用来回收sds空余空间，压缩内存，函数调用后，s会无效
// 实际上，就是重新分配一块内存，将原有数据拷贝到新内存上，并释放原有空间
// 新内存的大小比原来小了alloc-len大小
sds sdsRemoveFreeSpace(sds s) {
void sh, newsh;
char type, oldtype = s[-1] & SDS_TYPE_MASK;
int hdrlen;
size_t len = sdslen(s); // 获取字符串的实际大小
sh = (char)s-sdsHdrSize(oldtype);
type = sdsReqType(len);
hdrlen = sdsHdrSize(type);
if (oldtype==type) {
newsh = s_realloc(sh, hdrlen+len+1); // 申请的内存大小为hdrlen+len，原有的空余空间不算
if (newsh == NULL) return NULL;
s = (char)newsh+hdrlen;
} else {
newsh = s_malloc(hdrlen+len+1); // 如上
if (newsh == NULL) return NULL;
memcpy((char*)newsh+hdrlen, s, len+1);
s_free(sh);
s = (char*)newsh+hdrlen;
s[-1] = type;
sdssetlen(s, len);
}
sdssetalloc(s, len);
return s;
}
sds连接操作函数
sds提供了字符串的连接函数，用来连接两个字符串
sds sdscatlen(sds s, const void *t, size_t len) {
size_t curlen = sdslen(s); // 获取当前字符串的长度s = sdsMakeRoomFor(s,len); // 扩展空间
if (s == NULL) return NULL;
memcpy(s+curlen, t, len); // 连接新字符串
sdssetlen(s, curlen+len); // 设定连接后字符串长度
s[curlen+len] = ‘\0’;
return s;
}
sds其他操作函数
sds还提供了一系列的操作函数，如下：
sds sdsempty(void); // 清空sds
sds sdsdup(const sds s); // 复制字符串
sds sdsgrowzero(sds s, size_t len); // 扩展字符串到指定长度
sds sdscpylen(sds s, const char *t, size_t len); // 字符串的复制
sds sdscpy(sds s, const char *t); // 字符串的复制
sds sdscatfmt(sds s, char const *fmt, …); //字符串格式化输出
sds sdstrim(sds s, const char *cset); //字符串缩减
void sdsrange(sds s, int start, int end); //字符串截取函数
void sdsupdatelen(sds s); //更新字符串最新的长度
void sdsclear(sds s); //字符串清空操作
void sdstolower(sds s); //sds字符转小写表示
void sdstoupper(sds s); //sds字符统一转大写
sds sdsjoin(char **argv, int argc, char *sep); //以分隔符连接字符串子数组构成新的字符串
sds总结
sds是Redis中最基本的数据结构，使用一整段连续的内存来存储sds头信息和数据信息。其中，字符串的header包括了sds的字符串长度，字符串的最大容量以及sds的类型这三种信息。这三种基本的类型能够简化许多sds的操作，如字符串的长度只需要O(1)即可，而strlen的O(N)好很多。
另外，sds还提供了很多的操作函数，在其拥有的字符串的原生特性之外，还能动态扩展内存和符合二进制安全等。