【Redis】简单动态字符串 SDS

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SDS 简介

• 无论是 Redis 的 Key 还是 Value，其基础数据类型都是字符串。
  • 例如，Hash 型 Value 的 field 与 value 的类型、List 型、Set 型、ZSet 型 Value 的元素的类型等都是字符串。
• 虽然 Redis 是使用标准 C 语言开发的，但并没有直接使用 C 语言中传统的字符串表示，而是自定义了一种字符串。这种字符串本身的结构比较简单，但功能却非常强大，称为简单动态字符串， Simple Dynamic String，简称 SDS。
• 注意，Redis 中的所有字符串并不都是 SDS，也会出现 C 字符串。C 字符串只会出现在字符串“字面常量”中，并且该字符串不可能发生变更。
  • 如，输出在控制台的结果
  • 

SDS 结构

• SDS 不同于 C 字符串。
• C 字符串本身是一个以双引号括起来，以空字符’\0’结尾的字符序列。
• SDS 是一个结构体，定义在 Redis 安装目录下的 src/sds.h 中：

struct sdshdr {
    // 字符数组，用于保存字符串
    char buf[];
    // buf[]中已使用字符数量，称为 SDS 的长度
    int len;
    // buf[]中尚未使用的字符数量
    int free;
}

SDS 的优势

• C 字符串使用 Len+1 长度的字符数组来表示实际长度为 Len 的字符串，字符数组最后以空字符’\0’结尾，表示字符串结束。这种结构简单，但不能满足 Redis 对字符串功能性、安全性及高效性等的要求。

防止”字符串长度获取”性能瓶颈

• 对于 C 字符串，若要获取其长度，则必须要通过遍历整个字符串才可获取到的。对于超长字符串的遍历，会成为系统的性能瓶颈。
• 由于 SDS 结构体中直接就存放着字符串的长度数据，所以对于获取字符串长度需要消耗的系统性能，与字符串本身长度是无关的，不会成为 Redis 的性能瓶颈。

保障二进制安全

• C 字符串中只能包含符合某种编码格式的字符，例如 ASCII、UTF-8 等，并且除了字符串末尾外，其它位置是不能包含空字符’\0’的，否则该字符串就会被程序误解为提前结束。
• 在图片、音频、视频、压缩文件、office 文件等二进制数据中以空字符’\0’作为分隔符的情况是很常见的。故而在 C 字符串中是不能保存像图片、音频、视频、压缩文件、office 文件等二进制数据的。
• 但 SDS 不是以空字符’\0’作为字符串结束标志的，其是通过 len 属性来判断字符串是否结束的。所以，对于程序处理 SDS 中的字符串数据，无需对数据做任何限制、过滤、假设，只需读取即可。数据写入的是什么，读到的就是什么。

减少内存再分配次数

• SDS 采用了空间预分配策略与惰性空间释放策略来避免内存再分配问题。
• 空间预分配策略是指，每次 SDS 进行空间扩展时，程序不但为其分配所需的空间，还会 为其分配额外的未使用空间，以减少内存再分配次数。而额外分配的未使用空间大小取决于空间扩展后 SDS 的 len 属性值。
  • 如果 len 属性值小于 1M，那么分配的未使用空间 free 的大小与 len 属性值相同。即字符串的长度小于 1M 时，会为该字符串分配用于存储所有的字符的长度为 len 的空间，同时还会预分配一个长度为 len free 空间
  • 如果 len 属性值大于等于 1M ，那么分配的未使用空间 free 的大小固定是 1M。
• SDS 对于空间释放采用的是惰性空间释放策略。该策略是指，SDS 字符串长度如果缩短，那么多出的未使用空间将暂时不释放，而是增加到 free 中。以使后期扩展 SDS 时减少内存再分配次数。如果要释放 SDS 的未使用空间，则可通过 sdsRemoveFreeSpace()函数来释放。

兼容 C 函数

• Redis 中提供了很多的 SDS 的 API，以方便用户对 Redis 进行二次开发。
• 为了能够兼容 C 函数，SDS 的底层数组 buf[] 中的字符串仍以空字符’\0’结尾。
  • 现在要比较的双方，一个是 SDS，一个是 C 字符串，此时可以通过 C 语言函数 strcmp(sds_str->buf，c_str) 进行比较

常用的 SDS 操作函数

函数	说明
sdsnew()	使用指定的 C 字符串创建一个 SDS
sdsempty()	创建一个不包含任何字符串数据的 SDS
sdsdup()	创建一个指定 SDS 的副本
sdsfree()	释放指定的 SDS
sdsclear()	清空指定 SDS 的字符串内容
sdslen()	获取指定 SDS 的已使用空间 len 值
sdsavail()	获取指定 SDS 的未使用空间 free 值
sdsMakeRoomFor()	使指定的 SDS 的 free 空间增加指定的大小
sdsRemoveFreeSpace()	释放指定 SDS 的 free 空间
sdscat()	将指定的 C 字符串拼接到指定 SDS 字符串末尾
sdscatsds()	将指定的 SDS 的字符串拼接到另一个指定 SDS 字符串末尾
sdscpy()	将指定的 C 字符串复制到指定的 SDS 中，覆盖原 SDS 字符串内容
sdsgrouzero()	扩展 SDS 字符串到指定长度。这个扩展是使用空字符’\0’填充
sdsrange()	截取指定 SDS 中指定范围内的字符串
sdstrim()	在指定 SDS 中删除所有指定 C 字符串中出现的所有字符
sdsemp()	对比两个给定的 SDS 字符串是否相同
sdstolow()	将指定 SDS 字符串中的所有字母变为小写
sdstoupper()	将指定 SDS 字符串中的所有字母变为大写