Redis~列表List的数据结构之 链表(LinkedList)和压缩列表(ZipList)

Redis中的列表

• 列表类型 (List) 是⼀个使用线性结构存储的结构，它的元素插入会按照先后顺序存储到链表结构中。
• 列表类型的底层数据结构可以是压缩列表（ZipList)或者链表（LinkedList）
• 当列表对象的所有字符串元素长度都小于64字节，并且保存的元素数量小于512个时，使用压缩列表
• 如果不满足上述条件中的任意一个，都会使用链表

链表（LinkedList）

• 作为一种常用数据结构，链表内置在很多高级的编程语言里面，因为Redis使用的C语言并没有内置这种数据结构，所以Redis构建了自己的链表实现
• 链表提供了高效的节点重排能力，以及顺序性的节点访问方式，并且可以通过增删节点来灵活地调整链表的长度

链表的底层实现

• 每个链表节点使用一个listNode结构来表示：

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

• 多个listNode可以通过prev和next指针组成双端链表，如下图所示：
  

从上面的结构可以看出，Redis的链表是一个带头尾节点的双向无环链表，并且通过len字段记录了链表节点的长度

• 这个就是实际的链表

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;

• list结构为链表提供了表头指针head、表尾指针tail，以及链表长度计数器len
• dup、 free和match成员则是用于实现多态链表所需的类型特定函数：

1. dup函数用于复制链表节点所保存的值
2. free函数用于释放链表节点所保存的值
3. match函数则用于对比链表节点所保存的值和另一个输入值是否相等

总结Redis的链表实现的特性

• 双向：链表节点带有prev和next指针，获取某个节点的前置节点和后置节点的复杂度都 是O(1)
• 无环：表头节点的prev指针和表尾节点的next指针都指向NULL，对链表的访问以 NULL为终点
• 带表头指针和表尾指针：通过list结构的head指针和tail指针，程序获取链表的表头节点 和表尾节点的复杂度为O(1)
• 带链表长度计数器：程序使用list结构的len属性来对list持有的链表节点进行计数，程序 获取链表中节点数量的复杂度为O(1)
• 多态：链表节点使用void*指针来保存节点值，并且可以通过list结构的dup、free、 match三个属性为节点值设置类型特定函数，所以链表可以用于保存各种不同类型的值

压缩列表(ZipList)

• 压缩列表（ziplist）是列表键和哈希键的底层实现之一
• 当一个列表键只包含少量列表项，并且每个列表项要么就是小整数值，要么就是长度比较短的字符串，那么Redis就会使用 压缩列表来做列表键的底层实现
• 当一个哈希键只包含少量键值对，比且每个键值对的键和值要么就是小整数值， 要么就是长度比较短的字符串，那么Redis就会使用压缩列表来做哈希键的底层实现

压缩列表的构成

• 压缩列表是Redis为了节约内存而开发的，是由一系列特殊编码的连续内存块组成的顺序型（sequential）数据结构。一个压缩列表可以包含任意多个节点（entry），每个节点可以保存一字节数组或者一个整数值
• 因为普通链表节点的内存是随机分配的, 占用的内存是零星的,如果是大量数据的话使用这个号好, 但是如果是少量数据的话这样是比较浪费空间的, 而压缩列表使用的内存是整顿的, 是连续的, 所以再少量数据的时候使用压缩列表是节约了一定的内存
• 下图展示了压缩列表的各个组成部分
  
• 下表则记录了各个组成部分的类型、长度以及用途
  

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
  字节数组可以是以下 三种长度的其中一种：

长度小于等于63（2 6 –1）字节的字节数组；
长度小于等于16383（2 14–1）字节的字节数组；
长度小于等于4294967295（2 32–1）字节的字节数组

• 整数值则可以是以下六种长度的其中一种：

4位长，介于0至12之间的无符号整数
1字节长的有符号整数
3字节长的有符号整数
int16_t类型整数
int32_t类型整数
int64_t类型整数

连锁更新

• 前面说过，使用压缩链表使, 放置的数据是有限制的, 自如字符个数要在64个以内, 但是如果出现这种情况, 连续节点放置的数据都是63个, 如果突然第一个节点的字符超过了64个需要扩展, 因为压缩列表使用的内存是连续的, 所以后面的节点也应该扩展
  

• Redis将这种在特殊情况下产生的连续多次空间扩展操作称之为“连锁更新”（cascade update）

• 因为连锁更新在最坏情况下需要对压缩列表执行N次空间重分配操作，而每次空间重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（N^{2}）

• 要注意的是，尽管连锁更新的复杂度较高，但它真正造成性能问题的几率是很低的：

1. 首先，压缩列表里要恰好有多个连续的、长度介于250字节至253字节之间的节点，连锁 更新才有可能被引发，在实际中，这种情况并不多见
2. 其次，即使出现连锁更新，但只要被更新的节点数量不多，就不会对性能造成任何影 响：比如说，对三五个节点进行连锁更新是绝对不会影响性能的

• 因为以上原因，ziplistPush等命令的平均复杂度仅为O（N），在实际中，我们可以放心 地使用这些函数，而不必担心连锁更新会影响压缩列表的性能