redis数据结构

数据结构与数据类型

众所周知，redis有五种数据类型：字符串(string)、哈希(hash)、列表(list)、集合(set)、有序集合(sorted set)，这五种数据类型底层又有不同的数据结构实现

一、SDS（简单动态字符串）

redis字符串数据类型底层存储结构

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[];
};

为什么redis不采用C字符串而选择SDS的结构来存储字符串类型
（1）C字符串取长度需要遍历整个字符串，而SDS可以直接访问len属性获取字符串长度
（2）减少内存重分配次数，通过free属性，可预置未使用内存空间，当对字符串操作时，可以减少内存重分配次数
（3）二进制安全，C语言字符串以空字符结尾，不能存储类似以空字符分割的二进制数据串等，而SDS api则是以二进制的形式处理buf数组的数据，保证二进制安全

二、链表

链表是列表数据类型的底层实现之一，当一个列表包含了数据比较多的元素，或者列表中包含的元素都是比较长的字符串时，列表就会采用链表来实现

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

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;

（1）redis链表为双向链表
（2）list结构保存了链表的头尾指针以及链表的节点数量，获取链表长度的时间复杂度为O(1)
（3）链表使用void来保存节点值，使得链表可以保存各种不同数据类型的值

三、字典

字典是一种用于保存键值对的抽象数据结构，redis所使用的C语言没有内置类似java map的这种数据结构，因为其构建了自己的字典实现
redis的数据库就是基于字典来实现的，其增删改查操作就是建立在字典的基础上
字典也是哈希数据类型的底层实现之一，当一个哈希包含的键值对比较多，或者键值对中的元素都是比较长的字符串时，就会采用字典的数据结构

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
    in trehashidx; /* rehashing not in progress if rehashidx == -1 */
} dict;

（1）hash冲突：当发生hash冲突时，多个hash表节点用next指针形成一个单向链表
（2）再hash：随着键值对的数量越来越多，出现hash冲突的概率会增大，字典的读取效率会降低，因此需要进行扩容再hash
hash表的下一次容量大小会是 >= 当前已使用容量*2的第一个2的n次幂的值，例如当前hash表已使用3，那么下一次扩容容量大小为8
（3）负载因子计算：
hash表已保存的键值对的数量 / hash表的size
负载因子大于1或者小于0.1时进行扩容和缩容操作

四、跳表（skiplist）

跳表是一种有序数据结构，它通过在每个节点中维持多个指向其他节点的指针，从而达到快速访问节点的目的
跳表是有序集合数据类型的底层实现之一，当有序集合的元素数量比较多，或者是有序集合元素的成员是比较长的字符串时，就会使用跳表作为底层实现
跳表在原来的有序链表的基础上，加上了多级索引，可以支持快速的插入、删除和查找操作

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

（1）跳表的level是随机生成的，介于1-32之间
（2）跳表以空间换时间，插入、查找和删除的时间复杂度均是O(logn)
（3）有序集合采用hash + 跳表结构实现，hash用于存储value到score的映射，可以在O(1)的时间内找到value对应的score
skiplist按从小到大的顺序存储分数，skiplist每个节点的值都是[value, score]对

五、整数集合

整数集合是redis用于保存整数值的集合抽象数据结构，它可以保存int16,int32,int64的整数值
整数集合是集合数据类型的底层实现之一

typedef struct intset {
  //整数集合中元素的编码方式
  uint32_t encoding;
  //整数集合的元素数量，即contents数组的长度
  uint32_t length;
  //保存元素的数组，数组中的元素从大到小有序排列，不会出现重复元素
  //虽然contents数组被声明为int8_t类型，但数组中的元素的类型由encoding的值决定
  //encoding的取值为int16_t、int32_t和int64_t中一种
  int8_t contents[];
}intset;

六、压缩列表

压缩列表是列表和hash数据类型底层实现之一，当一个列表的元素个数很少且元素size也较小时，就会采用压缩列表存储；当一个hash键值对数量很少且键值size都较小时，就会采用压缩列表存储


（1）压缩列表是为了节约内存而开发的一种顺序型数据结构
（2）压缩列表可以包含多个节点，每个节点可以保存一个字节数组或者整数值
（3）添加新节点到压缩列表，或者从压缩列表中删除节点，可能会引发连锁更新操作，但这种操作出现的几率并不高

六、总结

五大数据类型底层采用的数据结构汇总：
（1）string字符串：采用SDS存储
（2）hash哈希: 当hash键值对数量很少且键值size都较小时，就会采用压缩列表存储；当hash类型无法满足ziplist条件时，采用字典存储
（3）list列表：当一个列表的元素个数很少且元素size也较小时，就会采用压缩列表存储；当列表不满足ziplist条件时，就采用链表存储
（4）set集合：当集合中的元素都是整数且元素个数小于512时，就采用整数集合存储；当不满足整数集合条件时，采用字典作为底层实现
（5）zset有序集合：当有序集合的元素个数小于128个，且元素的size小于64字节时，就采用压缩列表存储；当ziplist不满足条件时，就采用跳表存储