Redis之SDS底层原理解读

目录

SDS是什么？ 

SDS结构示例

概述 

空间预分配

惰性空间释放

C字符串跟SDS的区别？为什么用SDS？

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SDS是什么？ 

Redis 底层的程序语言是由 C 语言编写的，C 语言默认字符串则是以空字符结尾的字符数组（简称 C 字符串）。但 Redis 默认的字符串并非 C 字符串，而是名为 SDS ( Simple Dynamic String ）简单动态字符串的抽象结构。

• 在 Redis 里面， C 字符串只会作为字符串字面量（string literal）， 用在一些无须对字符串值进行修改的地方， 比如打印日志。
• 当 Redis 需要的不仅仅是一个字符串字面量， 而是一个可以被修改的字符串值时， Redis 就会使用 SDS 来表示字符串值： 比如在 Redis 的数据库里面， 包含字符串值的键值对在底层都是由 SDS 实现的。

SDS结构示例

概述 

Redis 采用一段连续的内存空间来存储 SDS 结构，具体结构如下图所示，free 代表指这个字符串剩余可用空间的长度，而 len 代表这个字符串已占用空间的长度，buf [] 就是字符数组。

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[];

};

一个字符串为 'Redis' 在 SDS 结构中的存储例子：

图中 SDS 保留了 C 字符串以空字符结尾的传统，但这个空字符的长度1字节空间并不会计算在 SDS 的 len 属性里面，而是为这个空字符分配额外的1字节空间，每次由 SDS 相关函数默认添加到字符串末尾，Redis 这样设计的好处是 SDS 可以直接重用一部分 C 字符串相关函数。 

这个 SDS 结构为字符串 'Redis' 分配了5字节的已使用长度，也为其分配了5字节的可用空间长度。

空间预分配

SDS 通过未使用空间解除了字符串长度和底层数组长度之间的关联： 在 SDS 中， buf 数组的长度不一定就是字符数量加一， 数组里面可以包含未使用的字节， 而这些字节的数量就由 SDS 的 free 属性记录。 

空间预分配用于优化 SDS 的字符串增长操作： 当 SDS 的 API 对一个 SDS 进行修改， 并且需要对 SDS 进行空间扩展的时候， 程序不仅会为 SDS 分配修改所必须要的空间， 还会为 SDS 分配额外的未使用空间。通过空间预分配策略， Redis 可以减少连续执行字符串增长操作所需的内存重分配次数。

• 如果对SDS进行修改之后，SDS的长度（也即是len属性的值）将小于1MB，那么程序分配和len属性同样大小的未使用空间，这时SDS len属性的值将和free属性的值相同。

进行修改之后， SDS 的 len 将变成 14 字节， 那么程序也会分配 14 字节的未使用空间， SDS 的 buf 数组的实际长度将变成 14 + 14 + 1 = 28字节（额外的一字节用于保存空字符）。

• 如果对SDS进行修改之后，SDS的长度（也即是len属性的值）将大于等于1MB，那么程序会分配1MB的未使用空间。
   

进行修改之后， SDS 的 len 将变成 30 MB ， 那么程序会分配 1 MB 的未使用空间， SDS 的 buf 数组的实际长度将为 30 MB + 1 MB + 1 byte 。

在扩展 SDS 空间之前， SDS API 会先检查未使用空间是否足够， 如果足够的话， API 就会直接使用未使用空间， 而无须执行内存重分配。

通过这种预分配策略， SDS 将连续增长 N 次字符串所需的内存重分配次数从必定 N 次降低为最多 N 次。

惰性空间释放

惰性空间释放用于优化 SDS 的字符串缩短操作： 当 SDS 的 API 需要缩短 SDS 保存的字符串时， 程序并不立即使用内存重分配来回收缩短后多出来的字节， 而是使用 free 属性将这些字节的数量记录起来， 并等待将来使用。

通过惰性空间释放策略， SDS 避免了缩短字符串时所需的内存重分配操作， 并为将来可能有的增长操作提供了优化。

C字符串跟SDS的区别？为什么用SDS？

	C字符串	SDS
字符串长度处理 len	需要从头开始遍历，直到遇到“/0'为止时间复杂度O(N)	记录当前字符串的长度，直接读取即可，时间复杂度 O(1)
内存重新分配alloc	分配内存空间超过后，会导致数组下标越级或者内存分配溢出	空间预分配 SDS 修改后，len 长度小于 1M，那么将会额外分配与 len 相同长度的未使用空间。如果修改后长度大于 1M，那么将分配1M的使用空间。 惰性空间释放 有空间分配对应的就有空间释放。SDS 缩短时并不会回收多余的内存空间，而是使用 free 字段将多出来的空间记录下来。如果后续有变更操作，直接使用 free 中记录的空间，减少了内存的分配。
二进制安全buf	二进制数据并不是规则的字符串格式可能会包含一些特殊的字符，比如“\0"等。C中字符串遇到“0会结束，那"\0"之后的数据就读取不上	根据 len 长度来判断字符串结束的，二进制安全的问题就解决了