Redis数据结构与对象——压缩列表

压缩列表（ziplist）是列表和哈希键的底层实现之一。

1 压缩列表的构成

  压缩列表是Redis节约成本而开发，是由一系列特殊编码的连续内存块组成的顺序型数据结构。一个压缩列表可以包含任意多个节点，每个节点可以保存一个字节数组或一个整数值。
  下图表示压缩的各个组成部分及含义

  下图表示一个包含三个节点的压缩列表，列表的起始地址的指针为p，那么列表表尾节点的地址就是p加上zltail的值，即p+60。

包含是三个节点的压缩列表

2 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组或者一个整数值。下图表示压缩列表的组成部分及含义。

压缩列表节点各个组成部分和含义

  2.1 previous_entry_length

  节点的previous_entry_length属性以字节为单位，长度为1字节或5字节，记录压缩列表前一个节点的长度。

(1) 如果前一个节点的长度小于254字节，那么previous_entry_length属性长度为1字节。
(2) 如果前一个节点的长度大于等于254字节，那么previous_entry_length属性长度为5字节。

  因为节点的previous_entry_length记录了前一个节点的长度，所以程序可以通过指针运算，根据当前节点的起始地址来计算出前一个节点的起始地址。压缩列表的从表尾向表头遍历操作就是通过这一原理实现的。只要拥有了一个指向某个节点起始地址的指针，就可以通过这个指针和这个节点的previous_entry_length属性，一个一个向前遍历，最终达到列表的表头节点。

  2.2 encoding

  节点的encoding属性记录了节点的content属性所保存数据的类型和长度：

(1) 如果是一个字节长，值的最高位是11开头的是整数编码，表示content保存的是整数值。
(2) 如果是一个字节、两个字节或者五个字节长，值的最高位为00、01或10的是字节数组编码，表示content保存的是字节数组。

  2.3 content

  节点的content属性负责保存的值，节点值可以是一个字节数组或者整数，值的类型和长度由节点的encoding属性决定。
  如下图，表示一个保存字节数组的列表节点，encoding属性的最高两个二进制位00表示节点保存的是一个字节数组。后六个二进制位001011表示字节数组的长度，即“hello world”的长度。

一个保存字节数组的列表节点

  如下图，表示一个保存整数值的列表节点，encoding属性的最高两个二进制位11表示节点保存的是一个整数值，content属性保存节点的值10086。

一个保存整数值的列表节点

3 连锁更新

  前面说过，previous_entry_length属性的长度是1个字节或5个字节，如果前一个节点的长度小于254字节，就使用1个字节保存这个长度值，反之使用5个字节保存这个长度值。
  假设在压缩列表中，有多个连续的、长度介于250字节到253字节之间的节点e1至eN，如下图所示：

  由于每个节点的长度均小于254，所以每个节点的previous_entry_length属性所需的长度都是1个字节。
  此时，在表头插入一个新节点，这个节点的长度大于254，由于 e1的previous_entry_length属性仅长1字节，没有办法保存新节点的长度，所以长须需要将e1节点的previous_entry_length属性从原来的1个字节扩展为5个字节长。

  由于e1的previous_entry_length属性添加了4个字节，导致e1节点的长度也大于254，所以导致e2节点previous_entry_length属性也要从原来的1个字节扩展为5个字节长...直到eN为止。
  Redis在特殊情况下产生连续多次空间扩展操作称之为“连锁更新”（cascade update），下图表示了这一过程。

连锁更新过程

  除了新添加节点会造成连锁跟新之外，删除节点也可能引发连锁更新。
  如下图所示的压缩列表，e1至eN都是大小介于250字节到253字节的节点，big节点时长度大于254的节点，small节点也是小于254字节的节点。small节点使用5个字节保存big节点的长度，如果此时将small节点删除，那么需要e1节点保存big节点的长度，但是e1节点的previous_entry_length属性是1个字节，需要扩展...，导致的情况和插入的情况一致。

删除节点引发的连锁更新

  因为连锁更新在最坏的情况下需要对压缩列表执行N次空间重分配操作，而每次空间分配的最坏复杂度为O(N)，所以连锁更新的最坏复杂度为O(N²)。
  但是，要造成连锁更新的可能性非常小。首先需要多个连续的、长度均介于250字节至253字节的节点，这种情况实际上并不多见。同时，即使出现了连锁更新，但是只要被更新的节点数量不多，就不会对性能造成任何影响。

4 小结

(1) 压缩列表是一种为节约内存而开发的顺序型数据结构，被作为列表键和哈希键的底层实现。
(2) 压缩节点可以包含任意个节点，每个节点可以保存一个字节数据或整数值。
(3) 添加新节点到压缩列表，或者从压缩列表中删除节点，可能引发连锁更新操作，但是这操作出现的几率并不高。

  本文完

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  注：本文参考《Redis设计与实现》，如发现错误，请指正！