Redis学习——1. 基础数据结构（一）：简单动态字符串

前言

工作慢慢步入正轨，闲暇时间也多了起来，抽空充下电，岂不美哉?

想来想去，发现自己不足之处良多，何不选个使用较多的点作为切入，哈哈，于是有了这系列文章。作为记录，和大家分享。若有不足之处，还请言明，不胜感激。

本文主要是源自于对《Redis设计与实现》的学习，所以会有大量雷同，慎入。

 

介绍

众所周知，Redis有5种对象类型：string、list、hash、set、zset（排除Redis于2.8.9中新加入的HyperLogLog）；这5种对象类型底层其实是由6种基础数据结构单个或多个组合实现，分别是：

1. 简单动态字符串（SDS：Simple Dynamic String）
2. 链表（Linked List）
3. 字典（Dict）
4. 跳跃表（Skip List）
5. 整数集合（Int Set）
6. 压缩列表（Zip List）

所以，接下来的章节会先对这几种基楚数据结构进行学习。

1、基础数据结构

1.1  简单动态字符串（SDS：Simple Dynamic String）

1.1.1  介绍

下图（1-1）为SDS在Redis中的实现：

struct sdshdr
{
	// 保存的字符串长度
	int len;
	// 未使用的长度
	int free;
	// 字节数组，用于保存字面量
	char buf[];
};

可以看出，redis使用一个结构体来存储字符串，该结构体包含了以下部分：

1. len 字段存储了字符串的长度
2. free 字段记录了buf数组中的可用空间大小
3. buf 为char类型数组，保存了实际的数据

下表（1-2）为sds在内存中的结构：

sdshdr
len：5
free：4
buf：[ ]	------->	R	e	d	i	s	\0

下表（1-3）表述了SDS实现和其特点之间的关系

sdshdr	int len	O(1)获取字符串长度
		二进制安全
		兼容部分C字符串函数
	int free	杜绝缓冲区溢出
		减少内存重新分配次数

 

1.1.2  特点

• O(1)获取字符串长度

这个很容易理解，众所周知，c语言使用'\0'来作为字符结尾，所以要获取字符串的长度需要遍历整个字符串，时间复杂度为O(n)，但Redis通过SDS中的len属性记录字符串长度，所以时间复杂度为O(1)

• 杜绝缓冲区溢出

上文提到，C语言中对于字符串并不会记录其长度，其引发的问题除了上述以外，还有就是可能会造成缓冲区溢出。而Redis在每次对字符串进行修改之前，会先检测字符串的free属性值是否够用，若不够则会先进行空间扩展。

• 减少内存重新分配次数

在上文中有提到过空间扩展的概念，而Redis正是通过这样的方式来防止内存反复进行重新分配。

1. 空间预分配

在对字符串进行修改需要进行空间扩展时，Redis除了为SDS分配足够使用的空间外，还会额外分配一份未使用的空间。

a）当修改后的len属性小于1MB时，程序会分配同len一样的大小的未使用空间

b）当修改后的len属性大于1MB时，程序会分配同1MB大小的未使用空间

2. 空间惰性释放

当字符串的长度缩小时，Redis会将多余的空间记录在free属性中，等待将来使用。

• 二进制安全

上文提到c语言使用'\0'来作为字符结尾，这回导致字符串中不能出现'\0'字符串，这使c字符串得无法保存二进制文件，而Redis的SDS通过len属性来区分字符串结尾，则无此问题。

• 兼容部分C字符串函数

同样由于上述原因Redis的SDS可以使用部分的c语言字符串函数