redis底层数据结构详解

redis 底层数据结构总共有6种：

1. 简单动态字符串
2. 字典
3. 列表
4. 压缩列表
5. 跳跃表
6. 整数集合

接下来我们依次看一下几种数据结构：

1. 简单动态字符串

Redis没有直接使用C语言传统的字符串表示（以空字符结尾的字符数组，以下简称C字符串），而是自己构建了一种名为简单动态字符串（simple dynamic string，SDS）的抽象类型，并将SDS用作Redis的默认字符串表示。

当Redis需要的不仅仅是一个字符串字面量，而是一个可以被修改的字符串值时，Redis就会使用SDS来表示字符串值，比如在Redis的数据库里面，包含字符串值的键值对在底层都是由SDS实现的。

那么Redis将在数据库中创建一个新的键值对，其中：

• 键值对的键是一个字符串对象，对象的底层实现是一个保存着字符串"msg"的SDS。
• 键值对的值也是一个字符串对象，对象的底层实现是一个保存着字符串"hello world"的SDS。
  又比如，如果客户端执行命令：

那么Redis将在数据库中创建一个新的键值对，其中：

• 键值对的键是一个字符串对象，对象的底层实现是一个保存了字符串"fruits"的SDS。
• 键值对的值是一个列表对象，列表对象包含了三个字符串对象，这三个字符串对象分别由三个SDS实现：第一个SDS保存着字符串"apple"，第二个SDS保存着字符串"banana"，第三个SDS保存着字符串"cherry"。

除了用来保存数据库中的字符串值之外，SDS还被用作缓冲区（buffer）：AOF模块中的AOF缓冲区，以及客户端状态中的输入缓冲区，都是由SDS实现的，在之后介绍AOF持久化和客户端状态的时候，我们会看到SDS在这两个模块中的应用。

1.1 SDS的定义

每个sds.h/sdshdr结构表示一个SDS值：

struct sdshdr {
    // 记录buf数组中已使用字节的数量
    // 等于SDS所保存字符串的长度
    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[];
};

• free属性的值为0，表示这个SDS没有分配任何未使用空间。
• len属性的值为5，表示这个SDS保存了一个五字节长的字符串。
• buf属性是一个char类型的数组，数组的前五个字节分别保存了’R’、‘e’、‘d’、 ‘i’、‘s’五个字符，而最后一个字节则保存了空字符’\0’。

1.2 二进制安全

1.3 空间预分配

空间预分配用于优化SDS的字符串增长操作：当SDS的API对一个SDS进行修改，并且需要对SDS进行空间扩展的时候，程序不仅会为SDS分配修改所必须要的空间，还会为SDS分配额外的未使用空间。
其中，额外分配的未使用空间数量由以下公式决定：

• 如果对SDS进行修改之后，SDS的长度（也即是len属性的值）将小于1MB，那么程序分配和len属性同样大小的未使用空间，这时SDS len属性的值将和free属性的值相同。举个例子，如果进行修改之后，SDS的len将变成13字节，那么程序也会分配13字节的未使用空间，SDS的buf数组的实际长度将变成13+13+1=27字节（额外的一字节用于保存空字
• 如果对SDS进行修改之后，SDS的长度将大于等于1MB，那么程序会分配1MB的未使用空间。举个例子，如果进行修改之后，SDS的len将变成30MB，那么程序会分配1MB的未使用空间，SDS的buf数组的实际长度将为30 MB + 1MB + 1byte。

Redis只会使用C字符串作为字面量，在大多数情况下，Redis使用SDS（Simple Dynamic String，简单动态字符串）作为字符串表示。

总结：比起C字符串，SDS具有以下优点：

1. 常数复杂度获取字符串长度。
2. 杜绝缓冲区溢出。
3. 减少修改字符串长度时所需的内存重分配次数。
4. 二进制安全。
5. 兼容部分C字符串函数。

SDS与C语言字符串对比：

2.链表

链表提供了高效的节点重排能力，以及顺序性的节点访问方式，并且可以通过增删节点来灵活地调整链表的长度。
作为一种常用数据结构，链表内置在很多高级的编程语言里面，因为Redis使用的C语言并没有内置这种数据结构，所以Redis构建了自己的链表实现。

链表在Redis中的应用非常广泛，比如列表键的底层实现之一就是链表。当一个列表键包含了数量比较多的元素，又或者列表中包含的元素都是比较长的字符串时，Redis就会使用链表作为列表键的底层实现。

3.1 链表和链表节点的实现
每个链表节点使用一个adlist.h/listNode结构来表示：

typedef struct listNode {

    // 前置节点
    struct listNode * prev;

    // 后置节点
    struct listNode * next;

    // 节点的值
    void * value;

}listNode;

Redis的链表实现的特性可以总结如下：

• 双端：链表节点带有prev和next指针，获取某个节点的前置节点和后置节点的复杂度都是O(1)。
• 无环：表头节点的prev指针和表尾节点的next指针都指向NULL，对链表的访问以NULL为终点。
• 带表头指针和表尾指针：通过list结构的head指针和tail指针，程序获取链表的表头节点和表尾节点的复杂度为O(1)。
• 带链表长度计数器：程序使用list结构的len属性来对list持有的链表节点进行计数，程序获取链表中节点数量的复杂度为O(1)。
• 多态：链表节点使用void*指针来保存节点值，并且可以通过list结构的dup、free

3.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。
在字典中，一个键（key）可以和一个值（value）进行关联（或者说将键映射为值），这些关联的键和值就称为键值对。

4. 跳跃表

5.整数集合

6.压缩列表

7.对象

Redis并没有直接使用这些数据结构来实现键值对数据库，而是基于这些数据结构创建了一个对象系统，这个系统包含字符串对象、列表对象、哈希对象、集合对象和有序集合对象这五种类型的对象，每种对象都用到了至少一种我们前面所介绍的数据结构。

Redis中的每个对象都由一个redisObject结构表示，该结构中和保存数据有关的三个属性分别是type属性、encoding属性和ptr属性：

typedef struct redisObject {

    // 类型
    unsigned type:4;

    // 编码
    unsigned encoding:4;

    // 指向底层实现数据结构的指针
    void *ptr;

    // ...

} robj;

类型


对象的ptr指针指向对象的底层实现数据结构，而这些数据结构由对象的encoding属性决定。
encoding属性记录了对象所使用的编码，也即是说这个对象使用了什么数据结构作为对象的底层实现，这个属性的值可以是表8-3列出的常量的其中一个。

每种类型的对象都至少使用了两种不同的编码，表8-4列出了每种类型的对象可以使用的编码

使用OBJECT ENCODING命令可以查看一个数据库键的值对象的编码：