Redis源码剖析--整数集合Intset
Redis源码剖析–整数集合Intset
- intset数据结构
- 升级
- inset基本操作
- 创建intset
- 添加元素
- 移除数据
- 其他操作函数
- intset小结
本系列博客文章已经分析了Redis的大部分数据结构，包括动态字符串，双端链表，字典，跳跃表等，这些数据结构都非常强大实用，但是在内存消耗方面也非常“巨大”。Redis的数据都是存放在内存上面的，所以对内存的使用要求及其苛刻，Redis会想方设法的来节省内存。
假设有一组集合{1,2,3,6,5}{1,2,3,6,5}，如果采用上述的数据结构来存储的话，必然会付出昂贵的内存代价，因此，Redis在这种小数据量的条件下，会使用内存映射来代替内部数据结构。这就使得整数集合（intset）和压缩（ziplist）这两类节省内存的数据结构应运而生了。
intset数据结构
Intset是集合键的底层实现之一，如果一个集合满足只保存整数元素和元素数量不多这两个条件，那么Redis就会采用intset来保存这个数据集。intset的数据结构如下：
typedef struct intset {
uint32_t encoding; // 编码模式
uint32_t length; // 长度
int8_t contents[]; // 数据部分
} intset;
其中，encoding字段表示该整数集合的编码模式，Redis提供三种模式的宏定义如下：
// 可以看出，虽然contents部分指明的类型是int8_t，但是数据并不以这个类型存放
// 数据以int16_t类型存放，每个占2个字节，能存放-32768~32767范围内的整数
#define INTSET_ENC_INT16 (sizeof(int16_t))
// 数据以int32_t类型存放，每个占4个字节，能存放-2^32-1~2^32范围内的整数
#define INTSET_ENC_INT32 (sizeof(int32_t))
// 数据以int64_t类型存放，每个占8个字节，能存放-2^64-1~2^64范围内的整数
#define INTSET_ENC_INT64 (sizeof(int64_t))
length字段用来保存集合中元素的个数。
contents字段用于保存整数，数组中的元素要求不含有重复的整数且按照从小到大的顺序排列。在读取和写入的时候，均按照指定的encoding编码模式读取和写入。
升级
inset中最值得一提的就是升级操作。当intset中添加的整数超过当前编码类型的时候，intset会自定升级到能容纳该整数类型的编码模式，如{1,2,3,4}{1,2,3,4}，创建该集合的时候，采用int16_t的类型存储，现在需要像集合中添加一个整数40000，超出了当前集合能存放的最大范围，这个时候就需要对该整数集合进行升级操作，将encoding字段改成int32_6类型，并对contents字段内的数据进行重排列。
Redis提供intsetUpgradeAndAdd函数来对整数集合进行升级然后添加数据。其升级过程可以参考如下图示：
// 升级整数集合并添加元素
static intset *intsetUpgradeAndAdd(intset *is, int64_t value) {
// 获取当前编码格式
uint8_t curenc = intrev32ifbe(is->encoding);
// 获取需要升级到的编码格式
uint8_t newenc = _intsetValueEncoding(value);
// 获取原整数集中的整数个数
int length = intrev32ifbe(is->length);
// 由于待添加的元素一定是大于或者小于整数集中所有元素，故此处需要判断添加到新数据集的头部或者尾部
// 如果value为正，则添加到新数据集的尾部；反之则添加到首部
int prepend = value < 0 ? 1 : 0;
// 设定新的编码格式
is->encoding = intrev32ifbe(newenc);
// 对原数据集进行扩容
is = intsetResize(is,intrev32ifbe(is->length)+1);
// 采用从后往前的重编码顺序，这样就避免覆盖数据了。
while(length–)
// 将原数据集中的数据依次赋值到新数据集中
// _intsetGetEncoded(is,length,curenc)获取数据集is的第length位上的数据，curenc为原数据集的编码格式
// _intsetSet将数据集is的第length+prepend位上设定为上一函数返回的值
_intsetSet(is,length+prepend,_intsetGetEncoded(is,length,curenc));
// 将待添加的数据添加到首部或者尾部
if (prepend)
_intsetSet(is,0,value);
else
_intsetSet(is,intrev32ifbe(is->length),value);
// 修改新数据集的长度
is->length = intrev32ifbe(intrev32ifbe(is->length)+1);
return is;
}
// 将value设定到整数集合is的第pos位
static void _intsetSet(intset is, int pos, int64_t value) {
// 获取整数集合is的编码格式
uint32_t encoding = intrev32ifbe(is->encoding);
// 针对不同的编码格式做相应的处理
if (encoding == INTSET_ENC_INT64) {
// 将对应的pos位设置成value
((int64_t)is->contents)[pos] = value;
// 如果必要，对新值进行大小端转换
memrev64ifbe(((int64_t)is->contents)+pos);
} else if (encoding == INTSET_ENC_INT32) {
// 同上
((int32_t)is->contents)[pos] = value;
memrev32ifbe(((int32_t)is->contents)+pos);
} else {
// 同上
((int16_t)is->contents)[pos] = value;
memrev16ifbe(((int16_t)is->contents)+pos);
}
}
// 获取整数集is中，按照enc编码格式的第pos位上的元素
static int64_t _intsetGetEncoded(intset is, int pos, uint8_t enc) {
int64_t v64;
int32_t v32;
int16_t v16;
// 针对不同的编码格式做相应的处理
// (enc*)is->contents获取整数集中的数据部分
// (enc*)is->contents+pos获取第pos位上的元素
// memrevEncifbe(&vEnc)如有必要对拷贝出来的值进行大小端转换
if (enc INTSET_ENC_INT64) {
memcpy(&v64,((int64_t*)is->contents)+pos,sizeof(v64));
memrev64ifbe(&v64);
return v64;
} else if (enc INTSET_ENC_INT32) {
memcpy(&v32,((int32_t)is->contents)+pos,sizeof(v32));
memrev32ifbe(&v32);
return v32;
} else {
memcpy(&v16,((int16_t)is->contents)+pos,sizeof(v16));
memrev16ifbe(&v16);
return v16;
}
}
Redis不提供降级操作，所以一旦对数组进行了升级，编码就会一直保持升级后的状态。
inset基本操作
创建intset
Redis在创建intset集合时，默认采用int16_t编码格式。
intset *intsetNew(void) {
intset *is = zmalloc(sizeof(intset));
is->encoding = intrev32ifbe(INTSET_ENC_INT16);
is->length = 0;
return is;
}
添加元素
intset在添加元素时需要判断新数据的大小，如果超出原编码格式能表示的范围，则调用上面的intsetUpgradeAndAdd函数进行添加，如果没有超出，则直接添加到指定位置。
// 向整数集合中添加元素
intset *intsetAdd(intset *is, int64_t value, uint8_t *success) {
uint8_t valenc = _intsetValueEncoding(value);
uint32_t pos;
if (success) *success = 1;
// 如果超出了当前编码格式所能表示的范围，则升级整数集合并添加元素
if (valenc > intrev32ifbe(is->encoding)) {
return intsetUpgradeAndAdd(is,value);
} else {
// 如果没有超出，则计算待添加整数需要应添加到整数集合中的位置
if (intsetSearch(is,value,&pos)) {
// intset中应不存在相同元素，如果待添加的整数已存在，则直接返回
if (success) success = 0;
return is;
}
// 调整整数集合的大小
is = intsetResize(is,intrev32ifbe(is->length)+1);
// 将整数集合中posend的数据移动到pos+1newend上
if (pos < intrev32ifbe(is->length)) intsetMoveTail(is,pos,pos+1);
}
// 添加数据到第pos位
_intsetSet(is,pos,value);
// 更新length值
is->length = intrev32ifbe(intrev32ifbe(is->length)+1);
return is;
}
// 查找value在整数集is中该添加到的位置
// 如果整数集中不存在value值，则返回0，并将插入位置存放在pos变量中
// 反之，返回1，表示value已存在
static uint8_t intsetSearch(intset is, int64_t value, uint32_t *pos) {
int min = 0, max = intrev32ifbe(is->length)-1, mid = -1;
int64_t cur = -1;
// 判断数据集是否为空
if (intrev32ifbe(is->length) == 0) {
if (pos) pos = 0;
return 0;
} else {
// 如果待查找的数超出了整数集中现有元素的最大和最小范围，则不需要查找
if (value > _intsetGet(is,intrev32ifbe(is->length)-1)) {
// value大于整数集中的最大值，则插入到整数集末尾
if (pos) pos = intrev32ifbe(is->length);
return 0;
} else if (value < _intsetGet(is,0)) {
// value小于整数集中的最小值，则插入到整数集头部
if (pos) *pos = 0;
return 0;
}
}
// 利用二分法进行查找，时间复杂度为O(logn)
while(max >= min) {
mid = ((unsigned int)min + (unsigned int)max) >> 1;
cur = _intsetGet(is,mid);
if (value > cur) {
min = mid+1;
} else if (value < cur) {
max = mid-1;
} else {
break;
}
}
if (value == cur) {
if (pos) *pos = mid;
return 1;
} else {
if (pos) *pos = min;
return 0;
}
}
// 将整数集的from为开始的数据全部移动到to位以后
static void intsetMoveTail(intset is, uint32_t from, uint32_t to) {
void src, dst;
uint32_t bytes = intrev32ifbe(is->length)-from;
uint32_t encoding = intrev32ifbe(is->encoding);
// 根据编码格式做相应处理
// src为待移动内存的初始位置
// dst为需要移动到的内存块的初始位置
// bytes为需要移动的字节数
if (encoding == INTSET_ENC_INT64) {
src = (int64_t)is->contents+from;
dst = (int64_t)is->contents+to;
bytes = sizeof(int64_t);
} else if (encoding == INTSET_ENC_INT32) {
src = (int32_t)is->contents+from;
dst = (int32_t)is->contents+to;
bytes = sizeof(int32_t);
} else {
src = (int16_t)is->contents+from;
dst = (int16_t)is->contents+to;
bytes = sizeof(int16_t);
}
memmove(dst,src,bytes);
}
移除数据
// 将整数集合中值为value的整数移除
intset *intsetRemove(intset *is, int64_t value, int *success) {
uint8_t valenc = _intsetValueEncoding(value);
uint32_t pos;
if (success) *success = 0;
// 符合删除条件的要求有两条：
// -- 值不能超出当前编码格式能表示的范围
// -- 整数集中能找到该值
if (valenc <= intrev32ifbe(is->encoding) && intsetSearch(is,value,&pos)) {
uint32_t len = intrev32ifbe(is->length);
// 表示能删除
if (success) *success = 1;
// 移动内存，删除数据
if (pos < (len-1)) intsetMoveTail(is,pos+1,pos);
// 调整内存大小
is = intsetResize(is,len-1);
// 更新length值
is->length = intrev32ifbe(len-1);
}
return is;
}
其他操作函数
- intsetFind 用二分法判断给定值是否存在于集合中
- intsetRandom 随机返回整数集合中的一个数
- intsetGet 取出底层属猪在给定索引上的元素
- intsetLen 返回整数集合中的元素个数
- intsetloblen 返回整数集合占用的内存字节数
intset小结
整数集合intset的底层实现为数组，该数组中的元素有序、无重复的存放，为了更好的节省内存，intset提供了升级操作，但是不支持降级操作。intset的源码实现比较简单，但功能上很实用。
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