Redis源码剖析和注释（六）--- 压缩列表(ziplist)

Redis 压缩列表(ziplist)

1. 介绍

压缩列表(ziplist)是哈希键的底层实现之一。它是经过特殊编码的双向链表，和整数集合(intset)一样，是为了提高内存的存储效率而设计的。当保存的对象是小整数值，或者是长度较短的字符串，那么redis就会使用压缩列表来作为哈希键的实现。

127.0.0.1:6379> HMSET hash name mike age 28 sex male
OK
127.0.0.1:6379> HGETALL hash
1) "name"
2) "mike"
3) "age"
4) "28"
5) "sex"
6) "male"
127.0.0.1:6379> OBJECT ENCODING hash    //编码格式为ziplist
"ziplist"

注：redis 3.2以后，quicklist作为列表键的实现底层实现之一，代替了压缩列表。

通过命令来查看一下：

127.0.0.1:6379> RPUSH list 1 2
(integer) 2
127.0.0.1:6379> LRANGE list 0 -1
1) "1"
2) "2"
127.0.0.1:6379> OBJECT ENCODING list    //是quicklist而非ziplist
"quicklist"

2. 压缩列表的结构

压缩列表是一系列特殊编码的连续内存块组成的顺序序列数据结构，可以包含任意多个节点(entry)，每一个节点可以保存一个字节数组或者一个整数值。

空间中的结构组成如下图所示：

• zlbytes：占4个字节，记录整个压缩列表占用的内存字节数。
• zltail_offset：占4个字节，记录压缩列表尾节点entryN距离压缩列表的起始地址的字节数。
• zllength：占2个字节，记录了压缩列表的节点数量。
• entry[1-N]：长度不定，保存数据。
• zlend：占1个字节，保存一个常数255(0xFF)，标记压缩列表的末端。

redis没有提供一个结构体来保存压缩列表的信息，而是提供了一组宏来定位每个成员的地址，定义在ziplist.c文件中：

由于压缩列表对数据的信息访问都是以字节为单位的，所以参数zl的类型是char *类型的，因此对zl指针进行一系列的强制类型转换，以便对不用长度成员的访问。

/* Utility macros */
//  ziplist的成员宏定义
//  (*((uint32_t*)(zl))) 先对char *类型的zl进行强制类型转换成uint32_t *类型，
//  然后在用*运算符进行取内容运算，此时zl能访问的内存大小为4个字节。

#define ZIPLIST_BYTES(zl)       (*((uint32_t*)(zl)))
//将zl定位到前4个字节的bytes成员，记录这整个压缩列表的内存字节数

#define ZIPLIST_TAIL_OFFSET(zl) (*((uint32_t*)((zl)+sizeof(uint32_t))))
//将zl定位到4字节到8字节的tail_offset成员，记录着压缩列表尾节点距离列表的起始地址的偏移字节量

#define ZIPLIST_LENGTH(zl)      (*((uint16_t*)((zl)+sizeof(uint32_t)*2)))
//将zl定位到8字节到10字节的length成员，记录着压缩列表的节点数量

#define ZIPLIST_HEADER_SIZE     (sizeof(uint32_t)*2+sizeof(uint16_t))
//压缩列表表头（以上三个属性）的大小10个字节

#define ZIPLIST_ENTRY_HEAD(zl)  ((zl)+ZIPLIST_HEADER_SIZE)
//返回压缩列表首节点的地址

#define ZIPLIST_ENTRY_TAIL(zl)  ((zl)+intrev32ifbe(ZIPLIST_TAIL_OFFSET(zl)))
//返回压缩列表尾节点的地址

#define ZIPLIST_ENTRY_END(zl)   ((zl)+intrev32ifbe(ZIPLIST_BYTES(zl))-1)
//返回end成员的地址，一个字节。

• intrev32ifbe()是封装的宏，用来根据主机的字节序按需要进行字节大小端的转换。

3. 创建一个空的压缩列表

空的压缩列表就是没有节点的列表。

/* Create a new empty ziplist. */
unsigned char *ziplistNew(void) {   //创建并返回一个新的压缩列表
    //ZIPLIST_HEADER_SIZE是压缩列表的表头大小，1字节是末端的end大小
    unsigned int bytes = ZIPLIST_HEADER_SIZE+1;

    unsigned char *zl = zmalloc(bytes); //为表头和表尾end成员分配空间
    ZIPLIST_BYTES(zl) = intrev32ifbe(bytes);    //将bytes成员初始化为bytes=11
    ZIPLIST_TAIL_OFFSET(zl) = intrev32ifbe(ZIPLIST_HEADER_SIZE);    //空列表的tail_offset成员为表头大小为10
    ZIPLIST_LENGTH(zl) = 0;     //节点数量为0
    zl[bytes-1] = ZIP_END;      //将表尾end成员设置成默认的255
    return zl;
}

如下图所示：

4. 压缩列表节点结构

redis对于压缩列表节点定义了一个zlentry的结构，用来管理节点的所有信息。

typedef struct zlentry {
    //prevrawlen 前驱节点的长度
    //prevrawlensize 编码前驱节点的长度prevrawlen所需要的字节大小
    unsigned int prevrawlensize, prevrawlen;

    //len 当前节点值长度
    //lensize 编码当前节点长度len所需的字节数
    unsigned int lensize, len;

    //当前节点header的大小 = lensize + prevrawlensize
    unsigned int headersize;

    //当前节点的编码格式
    unsigned char encoding;

    //指向当前节点的指针，以char *类型保存
    unsigned char *p;
} zlentry;                  //压缩列表节点信息的结构

虽然定义了这个结构体，但是根本就没有使用zlentry结构来作为压缩列表中用来存储数据节点中的结构，但是。因为，这个结构存小整数或短字符串实在是太浪费空间了。这个结构总共在32位机占用了28个字节(32位机)，在64位机占用了32个字节。这不符合压缩列表的设计目的：提高内存的利用率。因此，在redis中，并没有定义结构体来进行操作，也是定义了一些宏，压缩列表的节点真正的结构如下图所示：

• prev_entry_len：记录前驱节点的长度。
• encoding：记录当前节点的value成员的数据类型以及长度。
• value：根据encoding来保存字节数组或整数。

接下来就分别讨论这三个成员：

4.1 prev_entry_len成员

prev_entry_len成员实际上就是zlentry结构中prevrawlensize,和prevrawlen这两个成员的压缩版。

• prevrawlen：记录着上一个节点的长度。
• prevrawlensize：记录编码prevrawlen值的所需的字节个数。

而这两个成员都是int类型，因此将两者压缩为一个成员prev_entry_len，而且分别对不同长度的前驱节点使用不同的字节数来表示。

• 当前驱节点的长度小于254字节，那么prev_entry_len使用1字节表示。
• 当前驱节点的长度大于等于255字节，那么prev_entry_len使用5个字节表示。并且用5个字节中的最高8位(最高1个字节)用 0xFE 标示prev_entry_len占用了5个字节，后四个字节才是真正保存前驱节点的长度值。

因为，对于访问的指针都是char 类型，它能访问的范围1个字节，如果这个字节的大小等于0xFE，那么就会继续访问四个字节来获取前驱节点的长度，如果该字节的大小小于0xFE，那么该字节就是要获取的前驱节点的长度。因此这样就使prev_entry_len同时具有了prevrawlen和prevrawlensize的功能，而且更加节约内存。*

redis中的代码这样描述，定义在ziplist.c中：

#define ZIP_BIGLEN 254 

//对前驱节点的长度len进行编码，并写入p中，如果p为空，则仅仅返回编码len所需要的字节数
static unsigned int zipPrevEncodeLength(unsigned char *p, unsigned int len) {
    if (p == NULL) {
        return (len < ZIP_BIGLEN) ? 1 : sizeof(len)+1;  //如果前驱节点的长度len字节小于254则返回1个字节，否则返回5个
    } else {
        if (len < ZIP_BIGLEN) { //如果前驱节点的长度len字节小于254
            p[0] = len;         //将len保存在p[0]中
            return 1;           //返回所需的编码数1字节
        } else {                //前驱节点的长度len大于等于255字节
            p[0] = ZIP_BIGLEN;  //添加5字节的标示，0xFE
            memcpy(p+1,&len,sizeof(len));   //从p+1的起始地址开始拷贝len，拷贝四个字节
            memrev32ifbe(p+1);
            return 1+sizeof(len);   //返回所需的编码数5字节
        }
    }
}

4.2 encoding成员

和prev_entry_len一样，encoding成员同样可以看做成zlentry结构中lensize和len的压缩版。

• len：当前节点值长度。
• lensize： 编码当前节点长度len所需的字节数。

同样的lensize和len都是占4个字节的，因此将两者压缩为一个成员encoding，只要encoding能够同时具有lensize和len成员的功能，而且对当前节点保存的是字节数组还是整数分别编码。

redis对字节数组和整数编码提供了一组宏定义，定义在ziplist.c中：

/* Different encoding/length possibilities */
#define ZIP_STR_MASK 0xc0               //1100 0000     字节数组的掩码
#define ZIP_STR_06B (0 << 6)            //0000 0000
#define ZIP_STR_14B (1 << 6)            //0100 0000
#define ZIP_STR_32B (2 << 6)            //1000 0000

#define ZIP_INT_MASK 0x30               //0011 0000     整数的掩码
#define ZIP_INT_16B (0xc0 | 0<<4)       //1100 0000
#define ZIP_INT_32B (0xc0 | 1<<4)       //1101 0000
#define ZIP_INT_64B (0xc0 | 2<<4)       //1110 0000
#define ZIP_INT_24B (0xc0 | 3<<4)       //1111 0000
#define ZIP_INT_8B 0xfe                 //1111 1110

//掩码个功能就是区分一个encoding是字节数组编码还是整数编码
//如果这个宏返回 1 就代表该enc是字节数组，如果是 0 就代表是整数的编码
#define ZIP_IS_STR(enc) (((enc) & ZIP_STR_MASK) < ZIP_STR_MASK)

我们分别对于字节数组和整数进行讨论：

4.2.1 字节数组

编码范围	编码长度	value保存的值长度
[0000 0000, 0100 0000)	1字节	长度小于等于 26−1 字节
[0100 0000, 0100 0000 0000 0000)	2字节	长度小于等于 214−1 字节
[0100 0000 0000 0000, 1000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000)	5字节	长度小于等于 232−1 字节

- 字节数组的长度可以是：1字节，2字节，5字节。编码范围的前两位分别是00，01，10，因此除去最高2位用来区别编码长度，剩下的位则用来表示value成员的长度。

在redis中，关于字节数组编码的源代码之一如下，从中可以看出编码范围和字节的关系:

//从ptr中取出节点信息，并将其保存在encoding、lensize和len中
#define ZIP_DECODE_LENGTH(ptr, encoding, lensize, len) do {                         \
    /*从ptr数组中取出节点的编码格式并将其赋值给encoding*/                                  \
    ZIP_ENTRY_ENCODING((ptr), (encoding));                                          \
    /*如果是字符串编码格式*/                                                            \
    if ((encoding) < ZIP_STR_MASK) {                                                 \
        if ((encoding) == ZIP_STR_06B) {   /*6位字符串编码格式*/                        \
            (lensize) = 1;                 /*编码长度需要1个字节*/                      \
            (len) = (ptr)[0] & 0x3f;       /*当前字节长度保存到len中*/                  \
        } else if ((encoding) == ZIP_STR_14B) {    /*14位字符串编码格式*/               \
            (lensize) = 2;                 /*编码长度需要2个字节*/                      \
            (len) = (((ptr)[0] & 0x3f) << 8) | (ptr)[1]; /*当前字节长度保存到len中*/    \
        } else if (encoding == ZIP_STR_32B) {   /*32串编码格式*/                       \
            (lensize) = 5;                   /*编码长度需要5节*/                        \
            (len) = ((ptr)[1] << 24) |         /*当前字节长度保存到len中*/               \
                    ((ptr)[2] << 16) |                                                \
                    ((ptr)[3] <<  8) |                                                \
                    ((ptr)[4]);                                                       \
        } else {                                                                      \
            assert(NULL);                                                             \
        }                                                                             \
    } else {    /*整数编码格式*/                                                        \
        (lensize) = 1;            /*需要1个字节*/                                      \
        (len) = zipIntSize(encoding);                                                 \
    }                                                                                 \
} while(0);

4.2.2 整数

编码	编码长度	value保存的值
1100 0000	1字节	16位有符号整数表示的范围
1101 0000	1字节	32位有符号整数表示的范围
1110 0000	1字节	64位有符号整数表示的范围
1111 0000	1字节	24位有符号整数表示的范围
1111 1110	1字节	8位有符号整数表示的范围
1111 xxxx	1字节	4位立即数介于0-12之间，无对应value，保存在encoding

- 整数的编码长度只有1字节。最高2位是11开头的编码格式。

所以，在redis中，关于整数编码的源代码如下，从中可以看出编码和表示value范围的关系：

//以encoding编码方式，将value写到p中
static void zipSaveInteger(unsigned char *p, int64_t value, unsigned char encoding) {
    int16_t i16;
    int32_t i32;
    int64_t i64;

    // 根据encoding的编码格式不同，将value写到p中
    if (encoding == ZIP_INT_8B) {
        ((int8_t*)p)[0] = (int8_t)value;
    } else if (encoding == ZIP_INT_16B) {
        i16 = value;
        memcpy(p,&i16,sizeof(i16));
        memrev16ifbe(p);
    } else if (encoding == ZIP_INT_24B) {
        i32 = value<<8;
        memrev32ifbe(&i32);
        memcpy(p,((uint8_t*)&i32)+1,sizeof(i32)-sizeof(uint8_t));
    } else if (encoding == ZIP_INT_32B) {
        i32 = value;
        memcpy(p,&i32,sizeof(i32));
        memrev32ifbe(p);
    } else if (encoding == ZIP_INT_64B) {
        i64 = value;
        memcpy(p,&i64,sizeof(i64));
        memrev64ifbe(p);
    } else if (encoding >= ZIP_INT_IMM_MIN && encoding <= ZIP_INT_IMM_MAX) {
        /* Nothing to do, the value is stored in the encoding itself. */
    } else {
        assert(NULL);
    }
}

4.3 value成员

value成员负责根据encoding来保存字节数组或整数。我们举例说明：

假设这是一个压缩列表的头两个节点，因此：

• 第一个节点信息：
  
  • prev_entry_len成员为0，占1字节空间，因为前驱节点长度为0，小于254。
  • encoding成员为0000 0101，最高两位为00，因此encoding占1个字节且可以算出value为字符数组，根据剩下的6位00 0101，可以算出value长度为5字节。
  • value成员根据encoding成员算出长度为5字节，因此，会读5个字节的字节数组，值为”Redis”。
• 第二个节点信息：
  
  • prev_entry_len成员为0x07，占一个字节，因为前驱节点长度为7，小于254。
  • encoding成员编码为1101 0000，最高两位为11，因此encoding占1个字节且可以算出value为整数，在根据encoding编码可以得出value值为占32位，4个字节int32_t类型的有符号整数。
  • value成员根据encoding编码，读出4个字节的整数，值为 1234。
• 压缩列表的表头信息：
  
  • zlbytes为整个压缩列表所占字节数24。
  • zltail_offset为从压缩列表的首地址到最后一个entry节点的偏移量17。
  • zlength为节点个数2。
  • zlend为常数255(0xFF)。

4.4 注意

虽然在压缩列表中使用的是”压缩版”的zlentry结构，但是在对节点操作时，还是要将”压缩版” “翻译”到zlentry结构中，因为我们无法对着一串字符直接进行操作，因此，就有了下面的函数：

/* Return a struct with all information about an entry. */
// 将p指向的列表节点信息全部保存到zlentry中，并返回该结构
static zlentry zipEntry(unsigned char *p) {
    zlentry e;

    // e.prevrawlensize 保存着编码前一个节点的长度所需的字节数
    // prevrawlen 保存着前一个节点的长度
    ZIP_DECODE_PREVLEN(p, e.prevrawlensize, e.prevrawlen);  //恢复前驱节点的信息

    // p + e.prevrawlensize将指针移动到当前节点信息的起始地址
    // encoding保存当前节点的编码格式
    // lensize保存编码节点值长度所需的字节数
    // len保存这节点值的长度
    ZIP_DECODE_LENGTH(p + e.prevrawlensize, e.encoding, e.lensize, e.len);  //恢复当前节点的信息

    //当前节点header的大小 = lensize + prevrawlensize
    e.headersize = e.prevrawlensize + e.lensize;    
    e.p = p;    //保存指针
    return e;
}

//ZIP_DECODE_PREVLEN和ZIP_DECODE_LENGTH都是定义的两个宏，在ziplist.c文件中

5. 连锁更新

连锁更新的两种情况：

• 如果前驱节点的长度小于254，那么prev_entry_len成员需要用1字节长度来保存这个长度值。
• 如果前驱节点的长度大于等于254，那么prev_entry_len成员需要用5字节长度来保存这个长度值。

如果一个压缩列表中，有多个连续、长度介于250字节到253字节之间的节点，因此记录这些节点只需要1个字节的prev_entry_len，如果要插入一个长度大于等于254的新节点到压缩列表的头部，然而原来的节点的prev_entry_len成员长度仅仅为1个字节，无法保存新节点的长度，因此会对新节点之后的所有prev_entry_len成员大小为1字节的节点产生连锁更新。同样的，如果一个压缩列表中，是多个连续的长度大于等于254的节点，当往压缩列表的头部插入一个长度小于254的节点，也会产生连锁更新。另外删除节点也会产生连锁更新。

在redis中，只处理第一种情况，不处理因为节点的变小而引发的连锁更新，防止出现反复的缩小-扩展(flapping，抖动)

连锁更新的源代码如下：

/*
 * 当将一个新节点添加到某个节点之前的时候，
 * 如果原节点的 header 空间不足以保存新节点的长度，
 * 那么就需要对原节点的 header 空间进行扩展（从 1 字节扩展到 5 字节）。
 *
 * 但是，当对原节点进行扩展之后，原节点的下一个节点的 prevlen 可能出现空间不足，
 * 这种情况在多个连续节点的长度都接近 ZIP_BIGLEN 时可能发生。
 * 
 * 反过来说，
 * 因为节点的长度变小而引起的连续缩小也是可能出现的，
 * 不过，为了避免扩展-缩小-扩展-缩小这样的情况反复出现（flapping，抖动），
 * 我们不处理这种情况，而是任由 prevlen 比所需的长度更长。
 * 这个函数就用于检查并修复后续节点的空间问题。
 * 注意，程序的检查是针对 p 的后续节点，而不是 p 所指向的节点。
 * 因为节点 p 在传入之前已经完成了所需的空间扩展工作。
*/

static unsigned char *__ziplistCascadeUpdate(unsigned char *zl, unsigned char *p) {
    size_t curlen = intrev32ifbe(ZIPLIST_BYTES(zl)), rawlen, rawlensize;    //cur保存当前列表的总字节数
    size_t offset, noffset, extra;
    unsigned char *np;
    zlentry cur, next;

    //只要没有到压缩列表的end成员就继续循环
    while (p[0] != ZIP_END) {
        cur = zipEntry(p);      //将p指向的节点信息保存到cur结构中

        // headersize = lensize + prevrawlensize
        //前取节点长度编码所占字节数，和当前节点长度编码所占字节数，在加上当前节点的value长度
        //rawlen = prev_entry_len + encoding + value
        rawlen = cur.headersize + cur.len;      //当前节点的长度
        rawlensize = zipPrevEncodeLength(NULL,rawlen);  //计算编码当前节点的长度所需的字节数

        /* Abort if there is no next entry. */
        //如果没有下一个节点则跳出循环
        //这是连锁更新的第1个结束条件
        if (p[rawlen] == ZIP_END) break;

        //取出后继节点的信息保存到next中
        next = zipEntry(p+rawlen);

        /* Abort when "prevlen" has not changed. */
        //如果next节点的prevrawlen所保存的上一个节点长度等于rawlen
        //说明next节点的prevrawlen空间足够存放前驱节点的长度值
        //当前节点空间足够，那么这个节点以后的节点都不用更新，因此跳出循环
        //这是连锁更新的第2个结束条件
        if (next.prevrawlen == rawlen) break;

        //如果next节点对前一个节点长度的编码所需的字节数next.prevrawlensize 小于 对上一个节点长度进行编码所需要的节点rawlensize
        //因此要对next节点的header部分进行扩展，以便能够表示前一个节点的长度
        if (next.prevrawlensize < rawlensize) {
            /* The "prevlen" field of "next" needs more bytes to hold
             * the raw length of "cur". */

            offset = p-zl;          //记录当指针p的偏移量
            extra = rawlensize-next.prevrawlensize; //需要扩展的字节数
            zl = ziplistResize(zl,curlen+extra);    //调整压缩链表的空间大小
            p = zl+offset;  //还原p指向的位置

            /* Current pointer and offset for next element. */
            np = p+rawlen;      //next节点的新地址
            noffset = np-zl;    //记录next节点的偏移量

            /* Update tail offset when next element is not the tail element. */
            //更新压缩列表的表头tail_offset成员，如果next节点是尾部节点就不用更新
            if ((zl+intrev32ifbe(ZIPLIST_TAIL_OFFSET(zl))) != np) {
                ZIPLIST_TAIL_OFFSET(zl) =
                    intrev32ifbe(intrev32ifbe(ZIPLIST_TAIL_OFFSET(zl))+extra);
            }

            /* Move the tail to the back. */
            //移动next节点到新地址，为前驱节点cur腾出空间
            memmove(np+rawlensize,
                np+next.prevrawlensize,
                curlen-noffset-next.prevrawlensize-1);
            //将next节点的header以rawlen长度进行重新编码，更新prevrawlensize和prevrawlen
            zipPrevEncodeLength(np,rawlen);

            /* Advance the cursor */
            //更新p指针，移动到next节点，处理next的next节点
            p += rawlen;
            curlen += extra;    //更新压缩列表的总字节数
        } else {
            //如果next节点的prevrawlensize足够对前驱节点cur进行编码，但是不会进行缩小
            if (next.prevrawlensize > rawlensize) {
                /* This would result in shrinking, which we want to avoid.
                 * So, set "rawlen" in the available bytes. */
                //执行到这里说明， next 节点编码前置节点的 header 空间有 5 字节,而编码 rawlen 只需要 1 字节
                //因此，用5字节的空间将1字节的编码重新编码
                zipPrevEncodeLengthForceLarge(p+rawlen,rawlen);
            } else {
                //执行到这里说明，next.prevrawlensize = rawlensize
                //刚好足够空间进行编码，只需更新next节点的header
                zipPrevEncodeLength(p+rawlen,rawlen);
            }

            /* Stop here, as the raw length of "next" has not changed. */
            break;
        }
    }
    return zl;
}

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