Redis底层数据结构

题记：
文章内容输出来源：拉勾教育Java高薪训练营。
本篇文章是 Redis 学习课程中的一部分笔记。

Redis底层数据结构

Redis作为Key-Value存储系统，数据结构如下：

Redis没有表的概念，Redis实例所对应的db以编号区分，db本身就是key的命名空间。比如：user:1000作为key值，表示在user这个命名空间下id为1000的元素，类似于user表的id=1000的行。

一、RedisDB结构

Redis中存在“数据库”的概念，该结构由redis.h中的redisDb定义。当redis 服务器初始化时，会预先分配 16 个数据库，所有数据库保存到结构 redisServer 的一个成员 redisServer.db 数组中，redisClient中存在一个名叫db的指针指向当前使用的数据库。
RedisDB结构体源码：

typedef struct redisDb {
      
	int id; //id是数据库序号，为0-15（默认Redis有16个数据库） 
	long avg_ttl; //存储的数据库对象的平均ttl（time to live），用于统计 
	dict *dict; //存储数据库所有的key-value 
	dict *expires; //存储key的过期时间 
	dict *blocking_keys;//blpop 存储阻塞key和客户端对象 
	dict *ready_keys;//阻塞后push 响应阻塞客户端 存储阻塞后push的key和客户端对象 
	dict *watched_keys;//存储watch监控的的key和客户端对象 
} redisDb;

1、id
id是数据库序号，为0-15（默认Redis有16个数据库）

2、dict
存储数据库所有的key-value

3、expires
存储key的过期时间

二、RedisObject结构

Value是一个对象，包含字符串对象，列表对象，哈希对象，集合对象和有序集合对象
1、结构信息概览

typedef struct redisObject {
      
	unsigned type:4;//类型 五种对象类型 
	unsigned encoding:4;//编码 
	void *ptr;//指向底层实现数据结构的指针 
	//... 
	int refcount;//引用计数 
	//... 
	unsigned lru:LRU_BITS; //LRU_BITS为24bit 记录最后一次被命令程序访问的时间 
	//... 
}robj;

2、4位type

type 字段表示对象的类型，占 4 位；
REDIS_STRING(字符串)、REDIS_LIST (列表)、REDIS_HASH(哈希)、REDIS_SET(集合)、REDIS_ZSET(有序集合)。
当我们执行 type 命令时，便是通过读取 RedisObject 的 type 字段获得对象的类型

127.0.0.1:6379> type a1 
string

3、4位encoding

encoding 表示对象的内部编码，占 4 位。每个对象有不同的实现编码，Redis 可以根据不同的使用场景来为对象设置不同的编码，大大提高了 Redis 的灵活性和效率。
通过 object encoding 命令，可以查看对象采用的编码方式

127.0.0.1:6379> object encoding a1 
"int"

4、24位LRU

lru 记录的是对象最后一次被命令程序访问的时间，（ 4.0 版本占 24 位，2.6 版本占 22 位）。
高16位存储一个分钟数级别的时间戳，低8位存储访问计数（lfu ： 最近访问次数）

5、refcount

refcount 记录的是该对象被引用的次数，类型为整型。
refcount 的作用，主要在于对象的引用计数和内存回收。
当对象的refcount>1时，称为共享对象
Redis 为了节省内存，当有一些对象重复出现时，新的程序不会创建新的对象，而是仍然使用原来的对象。

6、ptr

ptr 指针指向具体的数据，比如：set hello world，ptr 指向包含字符串 world 的 SDS。

三、type

1、字符串对象

C语言： 字符数组 “\0”
Redis 使用了 SDS(Simple Dynamic String)。用于存储字符串和整型数据。

struct sdshdr{
      
	//记录buf数组中已使用字节的数量 
	int len; 
	//记录 buf 数组中未使用字节的数量 
	int free; 
	//字节数组，用于保存字符串 
	char buf[]; 
}

SDS的优势：

• SDS 在 C 字符串的基础上加入了 free 和 len 字段，获取字符串长度：SDS 是 O(1)，C 字符串是O(n)。buf数组的长度=free+len+1
• SDS 由于记录了长度，在可能造成缓冲区溢出时会自动重新分配内存，杜绝了缓冲区溢出。
• 可以存取二进制数据，以字符串长度len来作为结束标识

使用场景：
SDS的主要应用在：存储字符串和整型数据、存储key、AOF缓冲区和用户输入缓冲。

2、跳跃表（重点）

跳跃表是有序集合（sorted-set）的底层实现，效率高，实现简单。
跳跃表的基本思想：将有序链表中的部分节点分层，每一层都是一个有序链表。

• 查找
  在查找时优先从最高层开始向后查找，当到达某个节点时，如果next节点值大于要查找的值或next指针指向null，则从当前节点下降一层继续向后查找。
  举例：
  
  查找元素9，按道理我们需要从头结点开始遍历，一共遍历8个结点才能找到元素9。
  第一次分层：遍历5次找到元素9（红色的线为查找路径）
  
  第二次分层：遍历4次找到元素9
  
  第三层分层:遍历4次找到元素9
  

这种数据结构，就是跳跃表，它具有二分查找的功能。
插入与删除
上面例子中，9个结点，一共4层，是理想的跳跃表。
通过抛硬币（概率1/2）的方式来决定新插入结点跨越的层数：
正面:插入上层
背面：不插入
达到1/2概率（计算次数）

• 删除
  找到指定元素并删除每层的该元素即可
  跳跃表特点：

  • 每层都是一个有序链表
  • 查找次数近似于层数（1/2）
  • 底层包含所有元素
  • 空间复杂度 O(n) 扩充了一倍

• 跳跃表的实现

//跳跃表节点 
typedef struct zskiplistNode {
      
	/* 
	 * 存储字符串类型数据 redis3.0版本中使用robj类型表示， 但是在redis4.0.1中直接使用sds类型表示 
	 */ 
	sds ele; 
	//存储排序的分值
	double score; 
	//后退指针，指向当前节点最底层的前一个节点 
	struct zskiplistNode *backward;
	/* 
	 * 层，柔性数组，随机生成1-64的值 
	 */
	struct zskiplistLevel {
      
		//指向本层下一个节点 
		struct zskiplistNode *forward; 
		//本层下个节点到本节点的元素个数 
		unsigned int span;
	} level[]; 
} zskiplistNode; 
//链表 
typedef struct zskiplist{
      
	//表头节点和表尾节点 
	structz skiplistNode *header, *tail; 
	//表中节点的数量 
	unsigned long length; 
	//表中层数最大的节点的层数 
	int level; 
}zskiplist;

• 完整的跳跃表结构体
  

• 跳跃表的优势

  • 可以快速查找到需要的节点
  • 可以在O(1)的时间复杂度下，快速获得跳跃表的头节点、尾结点、长度和高度。

• 应用场景
  有序集合的实现

3、字典（重点+难点）

字典dict又称散列表（hash），是用来存储键值对的一种数据结构。
Redis整个数据库是用字典来存储的。（K-V结构）
对Redis进行CURD操作其实就是对字典中的数据进行CURD操作。

• 数组
  用来存储数据的容器，采用头指针+偏移量的方式能够以O(1)的时间复杂度定位到数据所在的内存地址。
  Redis 海量存储 快
• Hash函数
  Hash（散列），作用是把任意长度的输入通过散列算法转换成固定类型、固定长度的散列值。
  hash函数可以把Redis里的key：包括字符串、整数、浮点数统一转换成整数。
  key=100.1 String “100.1” 5位长度的字符串
  Redis-cli :times 33
  Redis-Server : siphash
  数组下标=hash(key)%数组容量(hash值%数组容量得到的余数)
• Hash冲突
  不同的key经过计算后出现数组下标一致，称为Hash冲突。
  采用单链表在相同的下标位置处存储原始key和value，当根据key找Value时，找到数组下标，遍历单链表可以找出key相同的value
  
• Redis字典的实现
  Redis字典实现包括：字典(dict)、Hash表(dictht)、Hash表节点(dictEntry)。
  

4、Hash表

typedef struct dictht {
      
	// 哈希表数组 
	dictEntry **table; 
	// 哈希表数组的大小 
	unsigned long size; 
	// 用于映射位置的掩码，值永远等于(size-1) 
	unsigned long sizemask; 
	// 哈希表已有节点的数量,包含next单链表数据 
	unsigned long used; 
} dictht;

hash表的数组初始容量为4，随着k-v存储量的增加需要对hash表数组进行扩容，新扩容量为当前量的一倍，即4,8,16,32
索引值=Hash值&掩码值（Hash值与Hash表容量取余）

• Hash表节点

typedef struct dictEntry {
      
	// 键 
	void *key; 
	// 值v的类型可以是以下4种类型 
	union {
      
		void *val; 
		uint64_t u64; 
		int64_t s64; 
		double d; 
	} v; 
	// 指向下一个哈希表节点，形成单向链表 解决hash冲突 
	struct dictEntry *next; 
} dictEntry;

key字段存储的是键值对中的键
v字段是个联合体，存储的是键值对中的值。
next指向下一个哈希表节点，用于解决hash冲突

5、dict字典

typedef struct dict {
      
	// 该字典对应的特定操作函数 
	dictType *type; 
	// 上述类型函数对应的可选参数 
	void *privdata;
	/* 
	 * 两张哈希表，存储键值对数据，ht[0]为原生 哈希表， ht[1]为 rehash 哈希表 
	 */  
	dictht ht[2]; 
	/*
	 * rehash标识 当等于-1时表示没有在 rehash， 否则表示正在进行rehash操作，存储的值表示 hash表 ht[0]的rehash进行到哪个索引值 (数组下标)
	 */ 
	long rehashidx; 
	// 当前运行的迭代器数量 
	int iterators; 
} dict;

type字段，指向dictType结构体，里边包括了对该字典操作的函数指针

typedef struct dictType {
      
	// 计算哈希值的函数 
	unsigned int (*hashFunction)(const void *key); 
	// 复制键的函数 
	void *(*keyDup)(void *privdata, const void *key); 
	// 复制值的函数 
	void *(*valDup)(void *privdata, const void *obj); 
	// 比较键的函数 
	int (*keyCompare)(void *privdata, const void *key1, const void *key2); 
	// 销毁键的函数 
	void (*keyDestructor)(void *privdata, void *key); 
	// 销毁值的函数 
	void (*valDestructor)(void *privdata, void *obj); 
} dictType;

Redis字典除了主数据库的K-V数据存储以外，还可以用于：散列表对象、哨兵模式中的主从节点管理等在不同的应用中，字典的形态都可能不同，dictType是为了实现各种形态的字典而抽象出来的操作函数（多态）。
完整的Redis字典数据结构：

• 字典扩容
  字典达到存储上限，需要rehash（扩容）
  扩容流程：
  
  说明：

  • 初次申请默认容量为4个dictEntry，非初次申请为当前hash表容量的一倍。
  • rehashidx=0表示要进行rehash操作。
  • 新增加的数据在新的hash表h[1]
  • 修改、删除、查询在老hash表h[0]、新hash表h[1]中（rehash中）
  • 将老的hash表h[0]的数据重新计算索引值后全部迁移到新的hash表h[1]中，这个过程称为rehash。

• 渐进式rehash
  当数据量巨大时rehash的过程是非常缓慢的，所以需要进行优化。
  服务器忙，则只对一个节点进行rehash
  服务器闲，可批量rehash(100节点)
  应用场景：

  • 主数据库的K-V数据存储
  • 散列表对象（hash） 3、哨兵模式中的主从节点管理

6、压缩列表

压缩列表（ziplist）是由一系列特殊编码的连续内存块组成的顺序型数据结构
节省内存：是一个字节数组，可以包含多个节点（entry）。每个节点可以保存一个字节数组或一个整数。
压缩列表的数据结构如下：

zlbytes：压缩列表的字节长度
zltail：压缩列表尾元素相对于压缩列表起始地址的偏移量
zllen：压缩列表的元素个数
entry1…entryX : 压缩列表的各个节点
zlend：压缩列表的结尾，占一个字节，恒为0xFF（255）
entryX元素的编码结构：

previous_entry_length：前一个元素的字节长度
encoding:表示当前元素的编码
content:数据内容
ziplist结构体如下：

typedef struct zlentry {
      
	//previous_entry_length字段的长度 
	unsigned int prevrawlensize; 
	//previous_entry_length字段存储的内容 
	unsigned int prevrawlen; 
	//encoding字段的长度 
	unsigned int lensize; 
	//数据内容长度 
	unsigned int len; 
	//当前元素的首部长度，即previous_entry_length字段长 度与 encoding字段长度之和。 
	unsigned int headersize; 
	//数据类型 
	unsigned char encoding; 
	//当前元素首地址 
	unsigned char *p; 
} zlentry;

• 应用场景
  • sorted-set和hash元素个数少且是小整数或短字符串（直接使用）
  • list用快速链表(quicklist)数据结构存储，而快速链表是双向列表与压缩列表的组合。（间接使用）

7、整数集合

整数集合(intset)是一个有序的（整数升序）、存储整数的连续存储结构。
当Redis集合类型的元素都是整数并且都处在64位有符号整数范围内（2^64），使用该结构体存储。

127.0.0.1:6379> sadd set:001 1 3 5 6 2 
(integer) 5 
127.0.0.1:6379> object encoding set:001 
"intset" 
127.0.0.1:6379> sadd set:004 1 100000000000000000000000000 9999999999 
(integer) 3 
127.0.0.1:6379> object encoding set:004 
"hashtable"

intset的结构图如下：

typedef struct intset{
      
	//编码方式 
	uint32_t encoding; 
	//集合包含的元素数量 
	uint32_t length; 
	//保存元素的数组 
	int8_t contents[]; 
}intset;

应用场景：
可以保存类型为int16_t、int32_t 或者int64_t 的整数值，并且保证集合中不会出现重复元素。

8、快速列表（重要）

快速列表（quicklist）是Redis底层重要的数据结构。是列表的底层实现。（在Redis3.2之前，Redis采用双向链表（adlist）和压缩列表（ziplist）实现。）在Redis3.2以后结合adlist和ziplist的优势Redis设计出了quicklist。

127.0.0.1:6379> lpush list:001 1 2 5 4 3 
(integer) 5 
127.0.0.1:6379> object encoding list:001 
"quicklist"

双向列表（adlist）

• 双向链表优势：
  • 双向：链表具有前置节点和后置节点的引用，获取这两个节点时间复杂度都为O(1)。
  • 普通链表（单链表）：节点类保留下一节点的引用。链表类只保留头节点的引用，只能从头节点插入删除
  • 无环：表头节点的 prev 指针和表尾节点的 next 指针都指向 NULL,对链表的访问都是以 NULL 结束。
  • 带链表长度计数器：通过 len 属性获取链表长度的时间复杂度为 O(1)。
  • 多态：链表节点使用 void* 指针来保存节点值，可以保存各种不同类型的值。

快速列表
quicklist是一个双向链表，链表中的每个节点时一个ziplist结构。quicklist中的每个节点ziplist都能够存储多个数据元素。

quicklist的结构定义如下：

typedef struct quicklist {
      
	// 指向quicklist的头部 
	quicklistNode *head; 
	// 指向quicklist的尾部 
	quicklistNode *tail; 
	// 列表中所有数据项的个数总和 
	unsigned long count; 
	// quicklist节点的个数，即ziplist的个数 
	unsigned int len; 
	// ziplist大小限定，由list-max-ziplist-size给定 (Redis设定) 
	int fill : 16; 
	// 节点压缩深度设置，由list-compress-depth给定(Redis 设定) 
	unsigned int compress : 16; 
} quicklist;

quicklistNode的结构定义如下：

typedef struct quicklistNode {
      
	// 指向上一个ziplist节点 
	struct quicklistNode *prev; 
	// 指向下一个ziplist节点 
	struct quicklistNode *next; 
	// 数据指针，如果没有被压缩，就指向ziplist结构，反之指 向 quicklistLZF结构 
	unsigned char *zl; 
	// 表示指向ziplist结构的总长度(内存占用长度) 
	unsigned int sz; 
	// 表示ziplist中的数据项个数 
	unsigned int count : 16; 
	// 编码方式，1--ziplist，2--quicklistLZF 
	unsigned int encoding : 2; 
	// 预留字段，存放数据的方式，1--NONE，2--ziplist 
	unsigned int container : 2; 
	// 解压标记，当查看一个被压缩的数据时，需要暂时解压，标 记此参数为 1，之后再重新进行压缩 
	unsigned int recompress : 1; 
	// 测试相关 
	unsigned int attempted_compress : 1; 
	// 扩展字段，暂时没用 
	unsigned int extra : 10; 
} quicklistNode;

数据压缩
quicklist每个节点的实际数据存储结构为ziplist，这种结构的优势在于节省存储空间。为了进一步降低ziplist的存储空间，还可以对ziplist进行压缩。Redis采用的压缩算法是LZF。其基本思想是：数据与前面重复的记录重复位置及长度，不重复的记录原始数据。
压缩过后的数据可以分成多个片段，每个片段有两个部分：解释字段和数据字段。quicklistLZF的结构体如下：

typedef struct quicklistLZF {
      
	// LZF压缩后占用的字节数 
	unsigned int sz; 
	// 柔性数组，指向数据部分 
	char compressed[]; 
} quicklistLZF;

应用场景
列表(List)的底层实现、发布与订阅、慢查询、监视器等功能。

9、流对象

stream主要由：消息、生产者、消费者和消费组构成。

Redis Stream的底层主要使用了listpack（紧凑列表）和Rax树（基数树）。

• listpack
  listpack表示一个字符串列表的序列化，listpack可用于存储字符串或整数。用于存储stream的消息内容。
  结构如下图：
  
• Rax树
  Rax 是一个有序字典树 (基数树 Radix Tree)，按照 key 的字典序排列，支持快速地定位、插入和删除操作。
  
  Rax 被用在 Redis Stream 结构里面用于存储消息队列，在 Stream 里面消息 ID 的前缀是时间戳 + 序号，这样的消息可以理解为时间序列消息。使用 Rax 结构 进行存储就可以快速地根据消息 ID 定位到具体的消息，然后继续遍历指定消息 之后的所有消息。
  
• 应用场景
  stream的底层实现

四、encoding

encoding 表示对象的内部编码，占 4 位。Redis通过 encoding 属性为对象设置不同的编码，对于少的和小的数据，Redis采用小的和压缩的存储方式，体现Redis的灵活性，大大提高了 Redis 的存储量和执行效率
比如Set对象：
intset ： 元素是64位以内的整数
hashtable：元素是64位以外的整数
如下所示：

• String
  int、raw、embstr
• int
  REDIS_ENCODING_INT（int类型的整数）
  
• embstr
  REDIS_ENCODING_EMBSTR(编码的简单动态字符串)，小字符串 长度小于44个字节
  
• raw
  REDIS_ENCODING_RAW （简单动态字符串）大字符串 长度大于44个字节
  
• list
  列表的编码是quicklist。
  REDIS_ENCODING_QUICKLIST（快速列表）
  
• hash
  散列的编码是字典和压缩列表
• dict
  REDIS_ENCODING_HT（字典）
  当散列表元素的个数比较多或元素不是小整数或短字符串时。
  
• ziplist
  REDIS_ENCODING_ZIPLIST（压缩列表）
  当散列表元素的个数比较少，且元素都是小整数或短字符串时。
  
• set
  集合的编码是整形集合和字典
• intset
  REDIS_ENCODING_INTSET（整数集合）
  当Redis集合类型的元素都是整数并且都处在64位有符号整数范围内（<18446744073709551616）
  
• dict
  REDIS_ENCODING_HT（字典）
  当Redis集合类型的元素都是整数并且都处在64位有符号整数范围外（>18446744073709551616）
  
• zset
  有序集合的编码是压缩列表和跳跃表+字典
• ziplist
  REDIS_ENCODING_ZIPLIST（压缩列表）
  当元素的个数比较少，且元素都是小整数或短字符串时。
  
• skiplist + dict
  REDIS_ENCODING_SKIPLIST（跳跃表+字典）
  当元素的个数比较多或元素不是小整数或短字符串时。
  

至此，结束

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最后

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