redis学习-17 redis内部实现之ziplist

1、概念

ziplist是一个经过特殊编码的双向链表，它的设计目标就是为了提高存储效率。

ziplist可以用于存储字符串或整数，其中整数是按真正的二进制表示进行编码的，

而不是编码成字符串序列。它能以O(1)的时间复杂度在表的两端提供push和pop操作。

2、提高存储效率

一个普通的双向链表，链表中每一项都占用独立的一块内存，各项之间用地址指针（或引用）连接起来。

这种方式会带来大量的内存碎片，而且地址指针也会占用额外的内存。

（1）而ziplist却是将表中每一项存放在前后连续的地址空间内，一个ziplist整体占用一大块内存。它是一个表（list），但其实不是一个链表（linked list）。

（2）ziplist为了在细节上节省内存，对于值的存储采用了变长的编码方式，大概意思是说，

对于大的整数，就多用一些字节来存储，而对于小的整数，就少用一些字节来存储。

3、ziplist的内存结构

<zlbytes><zltail><zllen><entry>...<entry><zlend>

各个部分在内存上是前后相邻的，它们分别的含义如下：

<zlbytes>: 32bit，表示ziplist占用的字节总数（也包括<zlbytes>本身占用的4个字节）。

<zltail>: 32bit，表示ziplist表中最后一项（entry）在ziplist中的偏移字节数。<zltail>的存在，使得我们可以很方便地找到最后一项（不用遍历整个ziplist），从而可以在ziplist尾端快速地执行push或pop操作。

<zllen>: 16bit， 表示ziplist中数据项（entry）的个数。zllen字段因为只有16bit，所以可以表达的最大值为2^16-1。

注：如果ziplist中数据项个数超过了16bit能表达的最大值，ziplist仍然可以来表示。

如果<zllen>小于等于2^16-2（也就是不等于2^16-1），那么<zllen>就表示ziplist中数据项的个数；

否则，那么<zllen>就不表示数据项个数了，这时候要想知道ziplist中数据项总数，那么必须对ziplist从头到尾遍历各个数据项，才能计数出来。

<entry>: 表示真正存放数据的数据项，长度不定。一个数据项（entry）也有它自己的内部结构，这个稍后再解释。

<zlend>: ziplist最后1个字节，是一个结束标记，值固定等于255。

注：ziplist采取的是小端模式来存储

4、数据项的构成

<prevrawlen><len><data>

我们看到在真正的数据（）前面，还有两个字段：

: 表示前一个数据项占用的总字节数。这个字段的用处是为了让ziplist能够从后向前遍历（从后一项的位置，只需向前偏移prevrawlen个字节，就找到了前一项）。这个字段采用变长编码。

: 表示当前数据项的数据长度（即部分的长度）。也采用变长编码。

那么和是怎么进行变长编码的呢？各位读者打起精神了，我们终于讲到了ziplist的定义中最繁琐的地方了。

（1）先说。它有两种可能，或者是1个字节，或者是5个字节：

如果前一个数据项占用字节数小于254，那么就只用一个字节来表示，这个字节的值就是前一个数据项的占用字节数。
如果前一个数据项占用字节数大于等于254，那么就用5个字节来表示，其中第1个字节的值是254（作为这种情况的一个标记），而后面4个字节组成一个整型值，来真正存储前一个数据项的占用字节数。
有人会问了，为什么没有255的情况呢？

这是因为：255已经定义为ziplist结束标记的值了。在ziplist的很多操作的实现中，都会根据数据项的第1个字节是不是255来判断当前是不是到达ziplist的结尾了，

因此一个正常的数据的第1个字节（也就是的第1个字节）是不能够取255这个值的，否则就冲突了。

（2）而字段就更加复杂了，它根据第1个字节的不同，总共分为9种情况（下面的表示法是按二进制表示）：

|00pppppp| - 1 byte。第1个字节最高两个bit是00，那么字段只有1个字节，剩余的6个bit用来表示长度值，最高可以表示63 (2^6-1)。

|01pppppp|qqqqqqqq| - 2 bytes。第1个字节最高两个bit是01，那么字段占2个字节，总共有14个bit用来表示长度值，最高可以表示16383 (2^14-1)。

|10__|qqqqqqqq|rrrrrrrr|ssssssss|tttttttt| - 5 bytes。第1个字节最高两个bit是10，那么len字段占5个字节，总共使用32个bit来表示长度值（6个bit舍弃不用），
最高可以表示2^32-1。需要注意的是：在前三种情况下，都是按字符串来存储的；从下面第4种情况开始，开始变为按整数来存储了。

|11000000| - 1 byte。字段占用1个字节，值为0xC0，后面的数据存储为2个字节的int16_t类型。

|11010000| - 1 byte。字段占用1个字节，值为0xD0，后面的数据存储为4个字节的int32_t类型。

|11100000| - 1 byte。字段占用1个字节，值为0xE0，后面的数据存储为8个字节的int64_t类型。

|11110000| - 1 byte。字段占用1个字节，值为0xF0，后面的数据存储为3个字节长的整数。

|11111110| - 1 byte。字段占用1个字节，值为0xFE，后面的数据存储为1个字节的整数。

|1111xxxx| - - (xxxx的值在0001和1101之间)。这是一种特殊情况，xxxx从1到13一共13个值，这时就用这13个值来表示真正的数据。

注意，这里是表示真正的数据，而不是数据长度了。也就是说，在这种情况下，后面不再需要一个单独的字段来表示真正的数据了，
而是和合二为一了。另外，由于xxxx只能取0001和1101这13个值了（其它可能的值和其它情况冲突了，比如0000和1110分别同前面第7种第8种情况冲突，1111跟结束标记冲突），
而小数值应该从0开始，因此这13个值分别表示0到12，即xxxx的值减去1才是它所要表示的那个整数数据的值。