深入了解Redis底层数据结构

说明

说到Redis的数据结构，我们大概会很快想到Redis的5种常见数据结构：字符串(String)、列表(List)、散列(Hash)、集合(Set)、有序集合(Sorted Set)，以及他们的特点和运用场景。不过它们是Redis对外暴露的数据结构，用于API的操作，而组成它们的底层基础数据结构又是什么呢

• 简单动态字符串（SDS）
• 链表
• 字典
• 跳跃表
• 整数集合
• 压缩列表

Redis的GitHub地址https://github.com/antirez/redis

简单动态字符串（SDS）

Redis是用C语言写的，但是Redis并没有使用C的字符串表示（C是字符串是以\0空字符结尾的字符数组），而是自己构建了一种简单动态字符串（simple dynamic string，SDS）的抽象类型，并作为Redis的默认字符串表示

在Redis中，包含字符串值的键值对底层都是用SDS实现的

SDS的定义

SDS的结构定义在sds.h文件中，SDS的定义在Redis 3.2版本之后有一些改变，由一种数据结构变成了5种数据结构，会根据SDS存储的内容长度来选择不同的结构，以达到节省内存的效果，具体的结构定义，我们看以下代码

// 3.0
struct sdshdr {
    // 记录buf数组中已使用字节的数量，即SDS所保存字符串的长度
    unsigned int len;
    // 记录buf数据中未使用的字节数量
    unsigned int free;
    // 字节数组，用于保存字符串
    char buf[];
};

// 3.2
/* Note: sdshdr5 is never used, we just access the flags byte directly.
 * However is here to document the layout of type 5 SDS strings. */
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr5 {
    unsigned char flags; /* 3 lsb of type, and 5 msb of string length */
    char buf[];
};
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr8 {
    uint8_t len; /* used */
    uint8_t alloc; /* excluding the header and null terminator */
    unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits */
    char buf[];
};
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr16 {
    uint16_t len; /* used */
    uint16_t alloc; /* excluding the header and null terminator */
    unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits */
    char buf[];
};
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr32 {
    uint32_t len; /* used */
    uint32_t alloc; /* excluding the header and null terminator */
    unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits */
    char buf[];
};
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr64 {
    uint64_t len; /* used */
    uint64_t alloc; /* excluding the header and null terminator */
    unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits */
    char buf[];
};

3.2版本之后，会根据字符串的长度来选择对应的数据结构

static inline char sdsReqType(size_t string_size) {
    if (string_size < 1<<5)  // 32
        return SDS_TYPE_5;
    if (string_size < 1<<8)  // 256
        return SDS_TYPE_8;
    if (string_size < 1<<16)   // 65536 64k
        return SDS_TYPE_16;
    if (string_size < 1ll<<32)  // 4294967296 4G
        return SDS_TYPE_32;
    return SDS_TYPE_64;
}

下面以3.2版本的sdshdr8看一个示例

• len：记录当前已使用的字节数（不包括'\0'），获取SDS长度的复杂度为O(1)
• alloc：记录当前字节数组总共分配的字节数量（不包括'\0'）
• flags：标记当前字节数组的属性，是sdshdr8还是sdshdr16等，flags值的定义可以看下面代码
• buf：字节数组，用于保存字符串，包括结尾空白字符'\0'

// flags值定义
#define SDS_TYPE_5  0
#define SDS_TYPE_8  1
#define SDS_TYPE_16 2
#define SDS_TYPE_32 3
#define SDS_TYPE_64 4

上面的字节数组的空白处表示未使用空间，是Redis优化的空间策略，给字符串的操作留有余地，保证安全提高效率

SDS与C字符串的区别

C语言使用长度为N+1的字符数组来表示长度为N的字符串，字符数组的最后一个元素为空字符'\0'，但是这种简单的字符串表示方法并不能满足Redis对于字符串在安全性、效率以及功能方面的要求，那么使用SDS，会有哪些好处呢

参考于《Redis设计与实现》

常数复杂度获取字符串长度

C字符串不记录字符串长度，获取长度必须遍历整个字符串，复杂度为O(N)；而SDS结构中本身就有记录字符串长度的len属性，所有复杂度为O(1)。Redis将获取字符串长度所需的复杂度从O(N)降到了O(1)，确保获取字符串长度的工作不会成为Redis的性能瓶颈

杜绝缓冲区溢出，减少修改字符串时带来的内存重分配次数

C字符串不记录自身的长度，每次增长或缩短一个字符串，都要对底层的字符数组进行一次内存重分配操作。如果是拼接append操作之前没有通过内存重分配来扩展底层数据的空间大小，就会产生缓存区溢出；如果是截断trim操作之后没有通过内存重分配来释放不再使用的空间，就会产生内存泄漏

而SDS通过未使用空间解除了字符串长度和底层数据长度的关联，3.0版本是用free属性记录未使用空间，3.2版本则是alloc属性记录总的分配字节数量。通过未使用空间，SDS实现了空间预分配和惰性空间释放两种优化的空间分配策略，解决了字符串拼接和截取的空间问题

二进制安全

C字符串中的字符必须符合某种编码，除了字符串的末尾，字符串里面是不能包含空字符的，否则会被认为是字符串结尾，这些限制了C字符串只能保存文本数据，而不能保存像图片这样的二进制数据

而SDS的API都会以处理二进制的方式来处理存放在buf数组里的数据，不会对里面的数据做任何的限制。SDS使用len属性的值来判断字符串是否结束，而不是空字符

兼容部分C字符串函数

虽然SDS的API是二进制安全的，但还是像C字符串一样以空字符结尾，目的是为了让保存文本数据的SDS可以重用一部分C字符串的函数

C字符串与SDS对比

C字符串	SDS
获取字符串长度复杂度为O(N)	获取字符串长度复杂度为O(1)
API是不安全的，可能会造成缓冲区溢出	API是安全的，不会造成缓冲区溢出
修改字符串长度必然会需要执行内存重分配	修改字符串长度N次最多会需要执行N次内存重分配
只能保存文本数据	可以保存文本或二进制数据
可以使用所有库中的函数	可以使用一部分库中的函数

链表

链表是一种比较常见的数据结构了，特点是易于插入和删除、内存利用率高、且可以灵活调整链表长度，但随机访问困难。许多高级编程语言都内置了链表的实现，但是C语言并没有实现链表，所以Redis实现了自己的链表数据结构

链表在Redis中应用的非常广，列表（List）的底层实现就是链表。此外，Redis的发布与订阅、慢查询、监视器等功能也用到了链表

链表节点和链表的定义

链表上的节点定义如下，adlist.h/listNode

typedef struct listNode {
    // 前置节点
    struct listNode *prev;
    // 后置节点
    struct listNode *next;
    // 节点值
    void *value;
} listNode;

链表的定义如下，adlist.h/list

typedef struct list {
    // 链表头节点
    listNode *head;
    // 链表尾节点
    listNode *tail;
    // 节点值复制函数
    void *(*dup)(void *ptr);
    // 节点值释放函数
    void (*free)(void *ptr);
    // 节点值对比函数
    int (*match)(void *ptr, void *key);
    // 链表所包含的节点数量
    unsigned long len;
} list;

每个节点listNode可以通过prev和next指针分布指向前一个节点和后一个节点组成双端链表，同时每个链表还会有一个list结构为链表提供表头指针head、表尾指针tail、以及链表长度计数器len，还有三个用于实现多态链表的类型特定函数

• dup：用于复制链表节点所保存的值
• free：用于释放链表节点所保存的值
• match：用于对比链表节点所保存的值和另一个输入值是否相等

链表结构图

链表特性

• 双端链表：带有指向前置节点和后置节点的指针，获取这两个节点的复杂度为O(1)
• 无环：表头节点的prev和表尾节点的next都指向NULL，对链表的访问以NULL结束
• 链表长度计数器：带有len属性，获取链表长度的复杂度为O(1)
• 多态：链表节点使用 void*指针保存节点值，可以保存不同类型的值

字典

字典，又称为符号表（symbol table）、关联数组（associative array）或映射（map），是一种用于保存键值对（key-value pair）的抽象数据结构。字典中的每一个键都是唯一的，可以通过键查找与之关联的值，并对其修改或删除

Redis的键值对存储就是用字典实现的，散列（Hash）的底层实现之一也是字典

我们直接来看一下字典是如何定义和实现的吧

字典的定义实现

Redis的字典底层是使用哈希表实现的，一个哈希表里面可以有多个哈希表节点，每个哈希表节点中保存了字典中的一个键值对

哈希表结构定义，dict.h/dictht

typedef struct dictht {
    // 哈希表数组
    dictEntry **table;
    // 哈希表大小
    unsigned long size;
    // 哈希表大小掩码，用于计算索引值，等于size-1
    unsigned long sizemask;
    // 哈希表已有节点的数量
    unsigned long used;
} dictht;

哈希表是由数组table组成，table中每个元素都是指向dict.h/dictEntry结构的指针，哈希表节点的定义如下

typedef struct dictEntry {
    // 键
    void *key;
    // 值
    union {
        void *val;
        uint64_t u64;
        int64_t s64;
        double d;
    } v;
    // 指向下一个哈希表节点，形成链表
    struct dictEntry *next;
} dictEntry;

其中key是我们的键；v是键值，可以是一个指针，也可以是整数或浮点数；next属性是指向下一个哈希表节点的指针，可以让多个哈希值相同的键值对形成链表，解决键冲突问题

最后就是我们的字典结构，dict.h/dict

typedef struct dict {
    // 和类型相关的处理函数
    dictType *type;
    // 私有数据
    void *privdata;
    // 哈希表
    dictht ht[2];
    // rehash 索引，当rehash不再进行时，值为-1
    long rehashidx; /* rehashing not in progress if rehashidx == -1 */
    // 迭代器数量
    unsigned long iterators; /* number of iterators currently running */
} dict;

type属性和privdata属性是针对不同类型的键值对，用于创建多类型的字典，type是指向dictType结构的指针，privdata则保存需要传给类型特定函数的可选参数，关于dictType结构和类型特定函数可以看下面代码

typedef struct dictType {
    // 计算哈希值的行数
    uint64_t (*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);
    // 对比键的函数
    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;

dict的ht属性是两个元素的数组，包含两个dictht哈希表，一般字典只使用ht[0]哈希表，``ht[1]哈希表会在对ht[0]哈希表进行rehash（重哈希）的时候使用，即当哈希表的键值对数量超过负载数量过多的时候，会将键值对迁移到ht[1]`上

rehashidx也是跟rehash相关的，rehash的操作不是瞬间完成的，rehashidx记录着rehash的进度，如果目前没有在进行rehash，它的值为-1

结合上面的几个结构，我们来看一下字典的结构图（没有在进行rehash）

在这里，哈希算法和rehash(重新散列)的操作不再详细说明，有机会以后单独介绍

当一个新的键值对要添加到字典中时，会根据键值对的键计算出哈希值和索引值，根据索引值放到对应的哈希表上，即如果索引值为0，则放到ht[0]哈希表上。当有两个或多个的键分配到了哈希表数组上的同一个索引时，就发生了键冲突的问题，哈希表使用链地址法来解决，即使用哈希表节点的next指针，将同一个索引上的多个节点连接起来。当哈希表的键值对太多或太少，就需要对哈希表进行扩展和收缩，通过rehash(重新散列)来执行

跳跃表

一个普通的单链表查询一个元素的时间复杂度为O(N)，即便该单链表是有序的。使用跳跃表（SkipList）是来解决查找问题的，它是一种有序的数据结构，不属于平衡树结构，也不属于Hash结构，它通过在每个节点维持多个指向其他节点的指针，而达到快速访问节点的目的

跳跃表是有序集合（Sorted Set）的底层实现之一，如果有序集合包含的元素比较多，或者元素的成员是比较长的字符串时，Redis会使用跳跃表做有序集合的底层实现

跳跃表的定义

跳跃表其实可以把它理解为多层的链表，它有如下的性质

• 多层的结构组成，每层是一个有序的链表
• 最底层（level 1）的链表包含所有的元素
• 跳跃表的查找次数近似于层数，时间复杂度为O(logn)，插入、删除也为 O(logn)
• 跳跃表是一种随机化的数据结构(通过抛硬币来决定层数)

那么如何来理解跳跃表呢，我们从最底层的包含所有元素的链表开始，给定如下的链表

然后我们每隔一个元素，把它放到上一层的链表当中，这里我把它叫做上浮（注意，科学的办法是抛硬币的方式，来决定元素是否上浮到上一层链表，我这里先简单每隔一个元素上浮到上一层链表，便于理解），操作完成之后的结构如下

查找元素的方法是这样，从上层开始查找，大数向右找到头，小数向左找到头，例如我要查找17，查询的顺序是：13 -> 46 -> 22 -> 17；如果是查找35，则是 13 -> 46 -> 22 -> 46 -> 35；如果是54，则是 13 -> 46 -> 54

上面是查找元素，如果是添加元素，是通过抛硬币的方式来决定该元素会出现到多少层，也就是说它会有 1/2的概率出现第二层、1/4 的概率出现在第三层......

跳跃表节点的删除和添加都是不可预测的，很难保证跳表的索引是始终均匀的，抛硬币的方式可以让大体上是趋于均匀的

假设我们已经有了上述例子的一个跳跃表了，现在往里面添加一个元素18，通过抛硬币的方式来决定它会出现的层数，是正面就继续，反面就停止，假如我抛了2次硬币，第一次为正面，第二次为反面

跳跃表的删除很简单，只要先找到要删除的节点，然后顺藤摸瓜删除每一层相同的节点就好了

跳跃表维持结构平衡的成本是比较低的，完全是依靠随机，相比二叉查找树，在多次插入删除后，需要Rebalance来重新调整结构平衡

跳跃表的实现

Redis的跳跃表实现是由redis.h/zskiplistNode和redis.h/zskiplist（3.2版本之后redis.h改为了server.h）两个结构定义，zskiplistNode定义跳跃表的节点，zskiplist保存跳跃表节点的相关信息

/* ZSETs use a specialized version of Skiplists */
typedef struct zskiplistNode {
    // 成员对象 （robj *obj;）
    sds ele;
    // 分值
    double score;
    // 后退指针
    struct zskiplistNode *backward;
    // 层
    struct zskiplistLevel {
        // 前进指针
        struct zskiplistNode *forward;
        // 跨度
        // 跨度实际上是用来计算元素排名(rank)的，在查找某个节点的过程中，将沿途访过的所有层的跨度累积起来，得到的结果就是目标节点在跳跃表中的排位
        unsigned long span;
    } level[];
} zskiplistNode;

typedef struct zskiplist {
    // 表头节点和表尾节点
    struct zskiplistNode *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;

zskiplistNode结构

• level数组（层）：每次创建一个新的跳表节点都会根据幂次定律计算出level数组的大小，也就是次层的高度，每一层带有两个属性-前进指针和跨度，前进指针用于访问表尾方向的其他指针；跨度用于记录当前节点与前进指针所指节点的距离（指向的为NULL，阔度为0）
• backward（后退指针）：指向当前节点的前一个节点
• score（分值）：用来排序，如果分值相同看成员变量在字典序大小排序
• obj或ele：成员对象是一个指针，指向一个字符串对象，里面保存着一个sds；在跳表中各个节点的成员对象必须唯一，分值可以相同

zskiplist结构

• header、tail表头节点和表尾节点
• length表中节点的数量
• level表中层数最大的节点的层数

假设我们现在展示一个跳跃表，有四个节点，节点的高度分别是2、1、4、3

zskiplist的头结点不是一个有效的节点，它有ZSKIPLIST_MAXLEVEL层(32层)，每层的forward指向该层跳跃表的第一个节点，若没有则为NULL，在Redis中，上面的跳跃表结构如下

• 每个跳跃表节点的层数在1-32之间
• 一个跳跃表中，节点按照分值大小排序，多个节点的分值是可以相同的，相同时，节点按成员对象大小排序
• 每个节点的成员变量必须是唯一的

整数集合

整数集合（intset）是Redis用于保存整数值的集合抽象数据结构，可以保存类型为int16_t、int32_t、int64_t的整数值，并且保证集合中不会出现重复元素

整数集合是集合（Set）的底层实现之一，如果一个集合只包含整数值元素，且元素数量不多时，会使用整数集合作为底层实现

整数集合的定义实现

整数集合的定义为inset.h/inset

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;

• contents数组：整数集合的每个元素在数组中按值的大小从小到大排序，且不包含重复项
• length记录整数集合的元素数量，即contents数组长度
• encoding决定contents数组的真正类型，如INTSET_ENC_INT16、INTSET_ENC_INT32、INTSET_ENC_INT64

整数集合的升级

当想要添加一个新元素到整数集合中时，并且新元素的类型比整数集合现有的所有元素的类型都要长，整数集合需要先进行升级（upgrade），才能将新元素添加到整数集合里面。每次想整数集合中添加新元素都有可能会引起升级，每次升级都需要对底层数组已有的所有元素进行类型转换

升级添加新元素：

• 根据新元素类型，扩展整数集合底层数组的空间大小，并为新元素分配空间
• 把数组现有的元素都转换成新元素的类型，并将转换后的元素放到正确的位置，且要保持数组的有序性
• 添加新元素到底层数组

整数集合的升级策略可以提升整数集合的灵活性，并尽可能的节约内存

另外，整数集合不支持降级，一旦升级，编码就会一直保持升级后的状态

压缩列表

压缩列表（ziplist）是为了节约内存而设计的，是由一系列特殊编码的连续内存块组成的顺序性（sequential）数据结构，一个压缩列表可以包含多个节点，每个节点可以保存一个字节数组或者一个整数值

压缩列表是列表（List）和散列（Hash）的底层实现之一，一个列表只包含少量列表项，并且每个列表项是小整数值或比较短的字符串，会使用压缩列表作为底层实现（在3.2版本之后是使用quicklist实现）

压缩列表的构成

一个压缩列表可以包含多个节点（entry），每个节点可以保存一个字节数组或者一个整数值

各部分组成说明如下

• zlbytes：记录整个压缩列表占用的内存字节数，在压缩列表内存重分配，或者计算zlend的位置时使用
• zltail：记录压缩列表表尾节点距离压缩列表的起始地址有多少字节，通过该偏移量，可以不用遍历整个压缩列表就可以确定表尾节点的地址
• zllen：记录压缩列表包含的节点数量，但该属性值小于UINT16_MAX（65535）时，该值就是压缩列表的节点数量，否则需要遍历整个压缩列表才能计算出真实的节点数量
• entryX：压缩列表的节点
• zlend：特殊值0xFF（十进制255），用于标记压缩列表的末端

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字或者一个整数值，结构如下

• previous_entry_ength：记录压缩列表前一个字节的长度
• encoding：节点的encoding保存的是节点的content的内容类型
• content：content区域用于保存节点的内容，节点内容类型和长度由encoding决定

对象

上面介绍了Redis的主要底层数据结构，包括简单动态字符串（SDS）、链表、字典、跳跃表、整数集合、压缩列表。但是Redis并没有直接使用这些数据结构来构建键值对数据库，而是基于这些数据结构创建了一个对象系统，也就是我们所熟知的可API操作的Redis那些数据类型，如字符串(String)、列表(List)、散列(Hash)、集合(Set)、有序集合(Sorted Set)

根据对象的类型可以判断一个对象是否可以执行给定的命令，也可针对不同的使用场景，对象设置有多种不同的数据结构实现，从而优化对象在不同场景下的使用效率

类型	编码	BOJECT ENCODING 命令输出	对象
REDIS_STRING	REDIS_ENCODING_INT	"int"	使用整数值实现的字符串对象
REDIS_STRING	REDIS_ENCODING_EMBSTR	"embstr"	使用embstr编码的简单动态字符串实现的字符串对象
REDIS_STRING	REDIS_ENCODING_RAW	"raw"	使用简单动态字符串实现的字符串对象
REDIS_LIST	REDIS_ENCODING_ZIPLIST	"ziplist"	使用压缩列表实现的列表对象
REDIS_LIST	REDIS_ENCODING_LINKEDLIST	'"linkedlist'	使用双端链表实现的列表对象
REDIS_HASH	REDIS_ENCODING_ZIPLIST	"ziplist"	使用压缩列表实现的哈希对象
REDIS_HASH	REDIS_ENCODING_HT	"hashtable"	使用字典实现的哈希对象
REDIS_SET	REDIS_ENCODING_INTSET	"intset"	使用整数集合实现的集合对象
REDIS_SET	REDIS_ENCODING_HT	"hashtable"	使用字典实现的集合对象
REDIS_ZSET	REDIS_ENCODING_ZIPLIST	"ziplist"	使用压缩列表实现的有序集合对象
REDIS_ZSET	REDIS_ENCODING_SKIPLIST	"skiplist"	使用跳跃表表实现的有序集合对象

参考：《Redis设计与实现》