Redis中的压缩列表

Redis中的压缩列表

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  压缩列表(ziplist)是列表键和哈希键的底层实现之一。当一个列表键只包含少量列表项，并且每个列表项要么就是小整数值，要么就是长度比较短的字符串，那么Redis就会使用压缩列表来做列表键的底层实现。

  例如，执行以下命令将创建一个压缩列表实现的列表键：

127.0.0.1:6379> RPUSH 1st 1 3 5 10086 "hello" "world"
(integer) 6
127.0.0.1:6379> OBJECT ENCODING 1st
"ziplist"

  列表键里包含的都是1、3、5、10086这样的小整数值，以及hello、world这样的短字符串。

  另外，当一个哈希键只包含少量键值对，并且每个键值对的键和值要么就是小整数值，要么就是长度比较短的字符串，那么Redis就会使用压缩列表来作为哈希键的底层实现。

  举个例子，执行以下命令将创建一个压缩列表实现的哈希键：

127.0.0.1:6379> HMSET profile name Jack age 28 job Programmer
OK
127.0.0.1:6379> OBJECT ENCODING profile
"ziplist"

  哈希键里面包含的所有键和值都是小整数值或者短字符串。

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压缩列表的构成

  压缩列表是Redis为了节约内存而开发的，是由一系列特殊编码的连续内存块组成的顺序型(sequential)数据结构。一个压缩列表可以包含任意多个节点(entry)，每个节点可以保存一个字节数组或者一个整数值。

  下图展示了压缩列表的各个组成部分：

  下表则记录了各个组成部分的类型、长度以及用途：

  观察下面给出的压缩列表示例：

• 列表zlbytes属性的值为0x50(十进制80)，表示压缩列表的总长为80字节。
• 列表zltail属性的值为0x3c(十进制60)，这表示如果我们有一个指向压缩列表起始地址的指针p，那么只要用指针p加上偏移量60，就可以计算出表尾节点entry3的地址。
• 列表zllen属性的值为0x3(十进制3)，表示压缩列表包含三个节点。

  再观察另一个压缩列表示例：

• 列表zlbytes属性的值为0xd2(十进制210)，表示压缩列表的总长为210字节。
• 列表zltail属性的值为0xb3(十进制179)，这表示如果我们有一个指向压缩列表起始地址的指针p，那么只要用指针p加上偏移量179，就可以计算出表尾节点entry5的地址。
• 列表zllen属性的值为0x5(十进制5)，表示压缩列表包含五个节点。

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压缩列表节点的构成

  每个压缩列表节点可以保存一个字节数组或者一个整数值，其中，字节数组可以是以下长度的其中一种：

• 长度小于等于63(2^6 - 1)字节的字节数组；
• 长度小于等于16383(2^14 - 1)字节的字节数组；
• 长度小于等于4294967295(2^32 - 1)字节的字节数组；

  而整数值则可以是以下六种长度的其中一种：

• 4位长，介于0至12之间的无符号整数；
• 1字节长的有符号；
• 3字节长的有符号整数；
• int16_t类型整数；
• int32_t类型整数；
• int64_t类型整数。

  每个压缩列表节点都由previous_entry_length、encoding、content三个部分组成：

previous_entry_length

  节点的previous_entry_length属性以字节为单位，记录了压缩列表中前一个节点的长度。previous_entry_length属性的长度可以是1字节或者5字节：

• 如果前一节点的长度小于254字节，那么previous_entry_length属性的长度为1字节：前一节点的长度就保存在这一个字节里面。
• 如果前一节点的长度大于等于254字节，那么previous_entry_length属性的长度为5字节：其中属性的第一字节会被设置为0xFE(十进制254)，而之后的四个字节则用于保存前一节点的长度。

  下图展示了一个包含一字节长previous_entry_length属性的压缩列表节点，属性值为0x05，表示前一节点的长度为5字节。

  下图展示了一个包含五字节长previous_entry_length属性的压缩节点，属性的值为0xFE00002766，其中值的最高位字节0xFE表示这是一个五字节长的previous_entry_length属性，而之后的四字节0x00002766(十进制10086)才是前一字节的实际长度。

  因为节点的previous_entry_length属性记录了前一个节点的长度，所以程序可以通过指针运算，根据当前节点的起始地址来计算出前一节点的起始地址。

  举个例子，如果我们有一个指向当前节点起始地址的指针c，那么我们只要用指针c减去当前节点previous_entry_length属性的值，就可以得出一个指向前一个节点起始地址的指针p，如下图所示：

  压缩列表的从表尾向表头遍历操作就是使用这一原理实现的，只要我们拥有一个指向某个节点起始地址的指针，那么通过这个指针以及这个节点的previous_entry_length属性，程序就可以一直向前一个节点回溯，最终到达压缩列表的表头节点。

encoding

  节点的encoding属性记录了节点的content属性所保存数据的类型以及长度：

• 一字节、两字节或者五字节长，值的最高位为00、01或者10的是字节数组编码：这种编码表示节点的content属性保存着字节数组，数组的长度由编码除去最高两位之后的其他位记录；
• 一字节长，值的最高位以11开头的是整数编码：这种编码表示节点的content属性保存着整数值，整数值的类型和长度由编码除去最高两位之后的其他位记录；

  下表记录了所有可用的字节数组编码，表格中的下划线表示留空，而b、x等变量则代表实际的二进制数据，为了方便阅读，多个字节之间用空格隔开：

  下表记录了所有可用的整数编码：

content

  节点的content属性负责保存节点的值，节点值可以是一个字节数组或者整数，值的类型和长度由节点的encoding属性决定。

  下图展示了一个保存字节数组的节点示例：

• 编码的最高两位00表示节点保存的是一个字节数组；
• 编码的后六位001011记录了字节数组的长度为11；
• content属性保存着节点的值：hello world。

  下图展示了一个保存着整数值的节点示例：

• 编码11000000表示节点保存的是一个int16_t类型的整数值；
• content属性保存着节点的值10086。