《redis设计与实现》——数据结构

一、SDS

Redis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，将SDS用作Redis的默认字符串表示。而没有直接使用C语言传统的字符串表示。

每个sds.h/shshdr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
    char buf[]; 
};

要点：

• 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作为字符串表示。
• 比起C字符串，SDS具有以下优点：
  • 常数复杂度获取字符串长度。
  • 杜绝缓冲区溢出。
  • 减少修改字符串长度时所需的内存重分配次数。
  • 二进制安全：不以空字符作为字符串结尾。
  • 兼容部分C字符串函数。

二、链表

链表节点：adlist.h/listNode

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

链表：adlist.h/list

typedef struct list {
    // 表头节点
    listNode *head;
    
    // 表尾节点
    listNode tail;
    
    // 链表所包含的节点数量
    unsigned long len;
    
    // 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)
} list;

要点：

• 链表被广泛用于实现Redis的各种功能，比如列表键、发布与订阅、慢查询、监视器等。
• 每一个链表节点有一个listNode结构表示，每一个节点都有一个指向前置节点和后直接点的指针，所以Redis的链表实现时双端链表。
• 每一个链表使用一个list结构来表示，这个结构带有表头节点指针、表尾节点指针，以及链表长度等信息。
• 因为链表表头节点和前置节点和表尾节点的后置节点都指向NULL，所以Redis的链表实现是无环链表。
• 通过为链表设置不同的类型特定函数，Redis的链表可以用于保存各种不同类型的值。

三、字典

哈希表：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
    // 总是等于size - 1
    unsigned long sizemask;
    
    // 该哈希表已有节点的数量
    unsigned long used;
} dictht;

哈希表节点：

typedef struct dictEntry {
    // 键
    void *key;
    
    // 值
    union {
        void *val;
        uint64_t u64;
        int64_t 64;
    } v;
    
    // 指向下个哈希表节点，形成链表, 以此解决冲突
    struct dictEntry *next;
    
} dictEntry;

字典：dict.h/dict

typedef struct dict {
    // 类型特定函数
    dictType *type;
    
    // 私有数据
    void *privdata;
    
    // 哈希表
    dictht ht[2];
    
    // rehash索引
    // 当rehash不在进行时，值为-1
    int trehashidx;  // rehashing not in progress if rehashidx == -1
}

dictType：

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);
    
    // 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;

要点：

• 字典被广泛用于实现redis的各项功能，其中包括数据库和哈希键。
• Redis中的字典使用哈希表作为底层实现，每个字典带有两个哈希表，一个平时使用，另一个仅在进行rehash时使用。
• 当字典被用作数据库的底层实现，或者哈希键的底层实现时，Redis使用MurmurHash2算法来计算哈希键的哈希值（优点：即使输入的键是有规律的，算法仍能给出一个很好的随机分布性，并且算法的计算速度也非常快）。
• 哈希表使用链地址法来解决键冲突，被分配到同一个索引上的多个键值会连成一个单项链表（速度考虑，采用头插法）。
• 在对哈希表进行扩展或者收缩操作时，程序需要将现有哈希表包含的所有键值对rehash到新哈希表里面，并且这个rehash过程并不是一次性地完成，而是渐进式的完成的（每次更新更新新哈希表，删除旧哈希表节点，插入只插入新哈希表，保证ht[0]包含的键值对数量只减不增，最终为空表）。

四、跳跃表

跳跃表节点：redis.h/zskiplistNode

trypedef struct zskiplistNode {
    // 后退指针
    struct zskiplistNode *backward;
    
    // 分值
    double score;
    
    // 成员对象
    robj *obj;
    
    // 层
    struct zskiplistLevel {
        // 前进指针
        struct zskiplistNode *forword;
        
        // 跨度
        unsigned int span;
    } level[];
} zskiplistNode;

zskiplist 结构定义：

typedef strut 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;

要点：

• 跳跃表是有序集合的底层实现之一。
• Redis的跳跃表实现由zskiplist和zskiplistNode两个结构组成，其中zskiplist用于保存跳跃表信息（比如表头节点、表尾节点、长度），而zskiplistNde则用于表示跳跃表节点。
• 每个跳跃表节点的层高都是1至32之间的随机数。
• 在同一个跳跃表中，多个节点可以包含相同的分值，但每个节点的成员对象必须是唯一的。
• 跳跃表中的节点按照分值大小进行排序，当分值相同时，节点按照成员对象的大小进行排序。

六、整数集合

整数集合：intset.h/intset

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;

要点：

• 整数集合是集合键的底层实现之一。
• 整数集合的底层实现为数组，这个数组以有序、无重复的方式保存集合元素，在有需要时，程序会根据新添加元素的类型，改变这个数组的类型。
• 升级操作为整数集合带来了操作上的灵活性，并且尽可能地节约了内存。
• 整数集合只支持升级操作，不支持降级操作。

七、压缩列表

zlbytes	zltail	zllen	entry1	entry2	...	entryN	zlend

要点：

• 压缩列表是一种为节约内存而开发的顺序型数据结构。
• 压缩列表被用作列表键和哈希键的底层实现之一。
• 压缩列表可以包含多个节点，每一个节点可以保存一个字节数组或者整数值。
• 添加新节点到压缩列表，或者从压缩列表删除节点，可能会引发连锁更新操作，但这种操作出现的机率并不高。