Redis 字符串：SDS
总结 Redis 封装 C 字符串为 SDS 的实现。
SDS 结构
结构定义
SDS 全称 Simple Dynamic String（简单动态字符串），是 Redis 对 C 原生字符串的封装，结构定义如下：
// sds 是 char * 的类型别名，用于指向 sdshdr 头部的 buf 字符串
typedef char *sds;
// Redis 保存字符串对象的结构
struct sdshdr {
int len; // buf 已占用空间长度
int free; // buf 剩余可用空间长度
char buf[]; // sds 二进制字节数组，C99 支持将 struct 最后一个成员定义为无长度数组，不自动分配内存
};
-
len：有符号
int类型，占 4 字节，最大能表示2^31 B=2^21 KB=2^11 MB=2 GB大的数据。但 Redis 把单 key 字符串值最长限制在了512MB。参考：maximum-value-size-in-redis -
buf：声明时无长度的柔性数组，是 C99 标准中的不完整类型，虽然结构体中的各字段在内存上是连续的，但柔性数组空间并不计入结构体总内存：
printf("%zu\n", sizeof(struct sdshdr)); // 8
内存布局
假设存入字符串 “Redis”，其内存布局如下：
64 位 Linux 上各内存段长度验证：
int main() {
char *sds = sdsnew("Redis");
char *free = sds - sizeof(int);
char *len = free - sizeof(int);
char *prefixSize = len - sizeof(size_t);
printf("used_memory: %zu\n", zmalloc_used_memory());
printf("prefix_size: %d\nlen: %d\nfree: %d\n", *prefixSize, *len, *free);
}
SDS API 实现
源码：sds.c，几个重要的 API 实现：
sdslen
O(1) 复杂度返回字符串长度。直接让 SDS 左移 2 个 int 长度寻址，读取字符串的长度后返回：
static inline size_t sdslen(const sds s) {
struct sdshdr *sh = (void *) (s - (sizeof(struct sdshdr))); // sds - 8
return sh->len;
}
sdsnew
注意 zmalloc 没有为 buf 柔性数组分配内存，其值是用 memcpy 高效复制字符串的值进行初始化的：
// 新建 sds
sds sdsnew(const char *init) {
size_t initlen = (init == NULL) ? 0 : strlen(init);
return sdsnewlen(init, initlen);
}
// 根据字符串 init 及其长度 initlen 创建 sds
// 成功则返回 sdshdr 地址，失败返回 NULL
sds sdsnewlen(const void *init, size_t initlen) {
struct sdshdr *sh;
if (init) {
sh = zmalloc(sizeof(struct sdshdr) + initlen + 1); // 有值则不初始化内存，+1 是为 '\0' 预留
} else {
sh = zcalloc(sizeof(struct sdshdr) + initlen + 1); // 空字符串则 SDS 初始化为全零
}
if (sh == NULL) return NULL;
sh->len = initlen;
sh->free = 0; // 新 sds 不预留空闲空间
if (initlen && init)
memcpy(sh->buf, init, initlen); // 复制字符串 init 到 buf
sh->buf[initlen] = '\0'; // 以 \0 结尾
return (char *) sh->buf; // buf 部分即 sds
}
sdsclear
惰性删除，将 SDS 清空为空字符串，未释放的空间会保留给下次分配使用：
void sdsclear(sds s) {
struct sdshdr *sh = (void *) (s - (sizeof(struct sdshdr)));
sh->free += sh->len; // 全部可用
sh->len = 0;
sh->buf[0] = '\0'; // 手动截断 buf
}
sdsMakeRoomFor
Redis 的内存预分配策略根据新内存字节数决定：
[0, 1 MB)：翻倍增长[1, ∞)：每次仅增长 1 MB
// 扩展 sds 空间增加 addlen 长度，进行内存预分配
sds sdsMakeRoomFor(sds s, size_t addlen) {
struct sdshdr *sh, *newsh;
size_t free = sdsavail(s);
size_t len, newlen;
if (free >= addlen) return s; // sdsclear 惰性删除保留的内存够用，无须扩展
len = sdslen(s);
sh = (void *) (s - (sizeof(struct sdshdr)));
newlen = (len + addlen); // 新长度不把 free 算入，和初始化时一样恰好够用就行
// 空间预分配策略：新长度在 (..., 1MB) 则成倍增长，[1MB, ...) 则每次仅增长 1 MB
if (newlen < SDS_MAX_PREALLOC)
newlen *= 2;
else
newlen += SDS_MAX_PREALLOC;
// 重分配
newsh = zrealloc(sh, sizeof(struct sdshdr) + newlen + 1);
if (newsh == NULL) return NULL;
newsh->free = newlen - len; // 更新 free 但不更新 len
return newsh->buf;
}
sdscat
用 memcpy 高效地拷贝内存，将字符串连接到 SDS 尾部，其使用 sdsMakeRoomFor 进行空间预分配：
// 将长度为 len 的字符串 t 追加到 sds
sds sdscatlen(sds s, const void *t, size_t len) {
struct sdshdr *sh;
size_t curlen = sdslen(s);
s = sdsMakeRoomFor(s, len);
if (s == NULL) return NULL;
sh = (void *) (s - (sizeof(struct sdshdr)));
memcpy(s + curlen, t, len); // 复制 t 中的内容到字符串后部
sh->len = curlen + len;
sh->free = sh->free - len;
s[curlen + len] = '\0';
return s;
}
// 追加字符串到 sds
sds sdscat(sds s, const char *t) {
return sdscatlen(s, t, strlen(t));
}
注意相近的 sdscpy 函数会将字符串覆盖式地拷贝到 SDS 中。
sdsfree
释放 SDS 整块内存：
void sdsfree(sds s) {
if (s == NULL) return;
zfree(s - sizeof(struct sdshdr)); // 同样左移寻址
}
SDS 优点
结合如上的 API 实现，总结下 SDS 相比 C 原生字符串的 4 个优点：
O(1) 复杂度获取字符串长度
C 字符串是最后一个元素为 \0 的字符数组，获取长度需从头到尾 O(N) 遍历。
SDS 结构中用 len 字段记录了字符串长度，并在各种增删操作中动态维护其长度，使用 strlen 直接读取字段值即可。
避免缓冲区溢出
C 字符串的 strcpy 操作，若 dst 未分配足够内存，应用有 crash 或被缓冲区溢出攻击的风险。
SDS 在操作字符串前会检查其空间，若不够则预分配，从根源上杜绝溢出。
二进制安全
C 以 '\0' 作为字符串分隔符，故不能保存如图片等穿插大量空字符的数据。
SDS API 用 len 长度来界定字符串边界，存入什么就取出什么，故操作二进制数据是安全的。但 SDS 同样以 '\0' 作为字符串的分隔符，方便直接重用 string.h 中的丰富库函数。
内存预分配与惰性释放
C 的字符串每次增长或缩减，都要 realloc 重分配内存。
SDS 每次以成倍或加 1MB 的方式扩展空间，且清空时不释放内存预留下次使用。从而将 N 次字符串操作，内存重分配次数从必定 N 次减少为最多 N 次。
总结
Redis 封装 C 原生字符串为 SDS，并实现了取长度、复制、比较、内存预分配等 API 供上层使用，可以看到 API 实现中对 buf 直接进行内存拷贝等操作，十分高效。
因为封装，SDS 相比原生字符串中间隔了一层取地址等操作，但其 API 耗时并未成为 Redis 的性能瓶颈，设计上十分精巧。