Redis源码剖析--字符串t_string

前面一直在分析Redis的底层数据结构，Redis利用这些底层结构设计了它面向用户可见的五种数据结构，字符串、哈希，链表，集合和有序集合，然后用redisObject对这五种结构进行了封装。从这篇博客开始，带你一点点分析五种数据类型常见命令对应的源码实现，慢慢地解开Redis的面纱。

字符串概述
字符串是Redis中最为常见的数据存储类型，其底层实现是简单动态字符串sds，因此，该字符串类型是二进制安全的，这就意味着它可以接受任何格式的数据。另外，Redis规定，字符串类型最多可以容纳的数据长度为512M。Redis提供了下列函数，来检测字符串键的大小。

static int checkStringLength(client c, long long size) {
// 超出了512M，就直接报错
if (size > 5121024*1024) {
addReplyError(c,“string exceeds maximum allowed size (512MB)”);
return C_ERR;
}
return C_OK;
}
字符串结构
在RedisObject中提到，Redis的底层编码类型有三种：OBJ_ENCODING_RAW，OBJ_ENCODING_INT和OBJ_ENCODING_EMBSTR，分别对应的底层数据结构为sds，int，sds。字符串的数据结构如下：

typedef struct redisObject {
unsigned type:4; // 为OBJ_STRING
unsigned encoding:4; // 编码类型OBJ_ENCODING_RAW，OBJ_ENCODING_INT或OBJ_ENCODING_EMBSTR
unsigned lru:LRU_BITS; // LRU_BITS为24位，最近一次的访问时间
int refcount;
void *ptr;
} robj;

其中，有必要讲解一下OBJ_ENCODING_EMBSTR编码，其实这就是一个小的技巧，我们在创建RedisObject和其存放的数据时，通常是分开创建，然后将ptr指向对应的数据，这样就有两次申请内存的过程。

而embstr的做法是，首先计算RedisObject和数据占用的字节数，然后只用一次申请内存，数据直接存放在RedisObject后面，如下：

| stringObject | data |
↓ →→→→→↑
↓ ↑
| type | encoding | lru | refcount | ptr | data |
当然，embstr只适合常见长度较小的字符串时才显得效率高。如果长度过长，申请大内存段比较费力。因此，Redis规定了小于规定字节才采用embstr编码。

/* 当长度小于44字节时，采用embstr编码 */
#define OBJ_ENCODING_EMBSTR_SIZE_LIMIT 44
字符串命令
Redis为string提供了一系列的命令，用来操作和管理字符串，主要包括以下几个命令。

命令 命令描述
SET key value [ex 秒数][px 毫秒数][nx/xx] 设置指定key的值
GET key 获取指定key的值
APPEND key value 将value追加到指定key的值末尾
INCRBY key increment 将指定key的值加上增量increment
DECRBY key decrement 将指定key的值减去增量decrement
STRLEN key 返回指定key的值长度
SETRANGE key offset value 将value覆写到指定key的值上，从offset位开始
GETRANGE key start end 获取指定key中字符串的子串[start,end]
MSET key value [key value …] 一次设定多个key的值
MGET key1 [key2…] 一次获取多个key的值
上述命令均为常用的字符串命令，其实现在t_string.c文件中，我们进而来查看一下它们的实现源码。

void setCommand(client *c); // SET命令，设定键值对
void setnxCommand(client *c); // SETNX命令，key不存在时才设置值
void setexCommand(client *c); // SETEX命令，key存在时才设置值，到期时间为秒
void psetexCommand(redisClient *c) // PSETEX命令，key存在时才设置值，到期时间为毫秒
void setrangeCommand(client *c); // SETRANGE命令，范围性的设置值
void msetCommand(client *c); // MSET命令，一次设定对个键值对
void msetnxCommand(client *c); // MSETNX命令，key不存在时才设置值
void getCommand(client *c); // GET命令，获取key对应的value
void mgetCommand(client *c); // MGET命令，获取多个key对应的value
void getrangeCommand(client *c); // GETRANGE命令，范围性的获取值
void getsetCommand(client *c); // 获取指定的键，如果存在则修改其值；反之不进行操作
void incrCommand(client *c); // 值递增1操作
void decrCommand(client *c); // 值递减1操作
void incrbyCommand(client *c); // 值增加操作
void decrbyCommand(client *c); // 值减少操作
void appendCommand(redisClient *c) // 追加key对应的值
void strlenCommand(redisClient *c) // 获取key对应值得长度
接下来，我们以SET命令为例，来理解以下Redis处理字符串命令的过程。

例：SET命令实现流程
set命令用于设置指定的值，其具体命令格式如下：

set key value [ex 秒数] [px 毫秒数] [nx/xx]
其中，各个选项的含义如下：

ex 设置指定的到期时间，单位为秒
px 设置指定的到期时间，单位为毫秒
nx 只有在key不存在的时候，才设置key的值
xx 只有key存在时，才对key进行设置操作
例如，我们在Redis的客户端中输入：

127.0.0.1:6379> set zee 100 ex 1000 nx
OK
// 代表设定一组键值对[zee,100]，其中，到期时间为1000秒，如果zee不存在则创建key并设定值
SET 命令的源码由setcommod函数实现，调用set命令需要传入一个client的指针，client类型里面包含了很多Redis对于交互命令的处理参数，我们没必要去管一些目前还用不上的参数，先来看看set命令需要用到的参数。

typedef struct client {
redisDb *db; // 当前数据库
robj **argv; // 命令参数
// …
} client;
很显然，db指向一个我们当前需要操作的数据库，argv指向待传入的命令参数。当我们执行set zee 100 ex 1000 nx命令时，argv中就包含六个RedisObject结构，其对应如下：

argv[0] – set
argv[1] – zee
argv[3] – 100
argv[4] – ex
argv[5] – 1000
argv[6] – nx
我们规定了到期时间为1000秒，且只有在zee键不存在的时候才设定该键的值。Redis为SET命令的操作设定了下列三个宏定义，用来标记SET的操作类型。

// 关于set命令的操作有三种宏定义
#define OBJ_SET_NO_FLAGS 0 // 没有设定参数
#define OBJ_SET_NX (1<<0) // 只有键不存在时才设定其值
#define OBJ_SET_XX (1<<1) // 只有键存在时才设定其值
#define OBJ_SET_EX (1<<2) // ex属性，到期时间单位为秒
#define OBJ_SET_PX (1<<3) // px属性，到期时间单位为毫秒
有了上述的理解之后，我们可以进入setCommand函数了。

/* set命令实现函数 */
void setCommand(client *c) {
int j;
robj *expire = NULL;
int unit = UNIT_SECONDS;
// 用于标记ex/px和nx/xx命令参数
int flags = OBJ_SET_NO_FLAGS;
// 从命令串的第四个参数开始，查看其是否设定了ex/px和nx/xx
for (j = 3; j < c->argc; j++) {
char *a = c->argv[j]->ptr;
robj next = (j == c->argc-1) ? NULL : c->argv[j+1];
if ((a[0] == ‘n’ || a[0] == ‘N’) &&
(a[1] == ‘x’ || a[1] == ‘X’) && a[2] == ‘\0’ &&
!(flags & OBJ_SET_XX)) // 标记
{
flags |= OBJ_SET_NX;
} else if ((a[0] == ‘x’ || a[0] == ‘X’) &&
(a[1] == ‘x’ || a[1] == ‘X’) && a[2] == ‘\0’ &&
!(flags & OBJ_SET_NX))
{
flags |= OBJ_SET_XX;
} else if ((a[0] == ‘e’ || a[0] == ‘E’) &&
(a[1] == ‘x’ || a[1] == ‘X’) && a[2] == ‘\0’ &&
!(flags & OBJ_SET_PX) && next)
{
flags |= OBJ_SET_EX;
unit = UNIT_SECONDS;
expire = next;
j++;
} else if ((a[0] == ‘p’ || a[0] == ‘P’) &&
(a[1] == ‘x’ || a[1] == ‘X’) && a[2] == ‘\0’ &&
!(flags & OBJ_SET_EX) && next)
{
flags |= OBJ_SET_PX;
unit = UNIT_MILLISECONDS;
expire = next;
j++;
} else {
// 如果不是上述参数，则需要报错，命令错误
addReply(c,shared.syntaxerr);
return;
}
}
// 判断value是否可以编码成整数，如果能则编码；反之不做处理
c->argv[2] = tryObjectEncoding(c->argv[2]);
// 调用底层函数进行键值对设定
setGenericCommand(c,flags,c->argv[1],c->argv[2],expire,unit,NULL,NULL);
}
/ 真正的set底层实现函数 */
void setGenericCommand(client *c, int flags, robj *key, robj *val, robj *expire, int unit, robj *ok_reply, robj abort_reply) {
long long milliseconds = 0; / initialized to avoid any harmness warning */
// 设定过期时间
if (expire) {
if (getLongLongFromObjectOrReply(c, expire, &milliseconds, NULL) != C_OK)
return;
if (milliseconds <= 0) {
addReplyErrorFormat(c,“invalid expire time in %s”,c->cmd->name);
return;
}
if (unit == UNIT_SECONDS) milliseconds *= 1000;
}
// 判断key是否存在，并根据nx和xx命令来决定是否set命令是否执行
if ((flags & OBJ_SET_NX && lookupKeyWrite(c->db,key) != NULL) ||
(flags & OBJ_SET_XX && lookupKeyWrite(c->db,key) == NULL))
{
addReply(c, abort_reply ? abort_reply : shared.nullbulk);
return;
}
// 将键值对关联到数据库
setKey(c->db,key,val);
// 设定该数据库为脏
server.dirty++;
// 设定过期时间
if (expire) setExpire(c->db,key,mstime()+milliseconds);
// 发送事件通知
notifyKeyspaceEvent(NOTIFY_STRING,“set”,key,c->db->id);
// 发送定期事件通知
if (expire) notifyKeyspaceEvent(NOTIFY_GENERIC,
“expire”,key,c->db->id);
// 向客户端发送命令处理结果
addReply(c, ok_reply ? ok_reply : shared.ok);
}
从SET命令中，衍生除了SETNX，SETEX，PSETEX等命令，其底层均是调用setGenericCommand来实现。

// key不存在时，才设定值，flag为REDIS_SET_NX；如果key存在则不做处理
// 命令形式为：setnx key value
void setnxCommand(client *c) {
c->argv[2] = tryObjectEncoding(c->argv[2]);
setGenericCommand(c,OBJ_SET_NX,c->argv[1],c->argv[2],NULL,0,shared.cone,shared.czero);
}
// key存在时才设置值，flag为REDIS_SET_NO_FLAGS，过期时间单位为秒，如果key不存在则不做处理
// 命令形式为：setex key seconds value (seconds为键过期时间，单位秒)
void setexCommand(client *c) {
// 这里为argv[3]，因为value存放在此
c->argv[3] = tryObjectEncoding(c->argv[3]);
setGenericCommand(c,OBJ_SET_NO_FLAGS,c->argv[1],c->argv[3],c->argv[2],UNIT_SECONDS,NULL,NULL);
}
// key存在时才设置值，flag为REDIS_SET_NO_FLAGS，过期时间单位为毫秒
// PSETEX key milliseconds value(milliseconds为键过期时间，单位毫秒)
void psetexCommand(client *c) {
c->argv[3] = tryObjectEncoding(c->argv[3]);
setGenericCommand(c,OBJ_SET_NO_FLAGS,c->argv[1],c->argv[3],c->argv[2],UNIT_MILLISECONDS,NULL,NULL);
}
字符串小结
在字符串的处理命令中，涉及到很多数据库和事件的相关处理函数，现阶段我们可以忽略。本博客只是列举了set命令的源码处理过程，这些命令的处理大多是涉及到命令解析的过程，比较繁琐，但是很好理解。有兴趣的可以在深入到每个命令的源码中，一窥实现步骤。源码面前，了无秘密。