Redis原理篇——五种基本数据类型

一、Redis底层数据结构

1. SDS

获取字符串长度耗时： 由于Redis底层是C语言编写的，C语言中没有字符串这个概念，本质上都是字符数组，获取字符串长度就是遍历数组获取长度（遍历到 '\0'结束标识结束 ）时间复杂度O（N）比较耗时

非二进制安全： 不能出现特殊字符 比如转义字符 '\0'

不可修改： 直接通过字面值定义的字符串，字符数组的长度固定，如果要修改需要重新申请空间，比较麻烦

Redis构建了一个新的字符串结果，称为简单动态字符串SDS

struct __attribute__((__packed__)) sdshdr8{
uint8_t len;  // buf已保存的字符串字节数，不包含结束标示
uint8_t alloc; //buf 申请的总的字节数，不包含结束标示
unsigned char flags; // 不同SDS的头类型，用来控制SDS的头大小（8 16 32 64位 不同sds）
char buf[];  // 字符数组
};

uint8_t 无符号整型8位 范围（0 ~ 255）

注： Redis实现SDS使用了多个此格式的结构体 来表示不同编码格式的字符串

如：一个"name" 的sds结构：

动态扩容：

如果给一个SDS追加一段字符串，首先会申请新的内存空间

• 假如新字符串小于1M,则新空间为扩展后字符串长度的两倍+1
• 如果新字符串大于1M,则新空间为扩展后字符串长度+1M+1。

+1 是给结束标识的 '\0'

内存预分配 ：减少内存分配的频率，（申请内存需要从用户态切换用户态）提高性能

优点：

• 获取字符串长度的时间复杂度为O(1)
• 支持动态扩容
• 减少内存分配次数
• 二进制安全（支持 图片、音频、视频存储）

2.IntSet

IntSet是Redis中Set集合的一种实现方式，基于整数数组来实现，并且具备长度可变、元素唯一有序特性。

typedef struct intset{
    uint32_t encoding; // 编码方式，支持16位、32位、64位
    uint32_t length;  // 元素个数
    int8_t contents[];  // 整数数组，保存集合数据
    
}intset;

为方便查找，Intset中的所有整数按照升序依次保存在contents数组中

如果元素所占总空间超过编码范围，Intset会自动升级编码方式，并按照新的编码方式及元素个数扩容数组。

倒序依次将数组中的语速拷贝到扩容后的正确位置（防止覆盖）

适用于数量少的情况

3.Dict

键值映射关系，Dict由三部分组成：哈希表（DictHashTable）、哈希结点（DictEntry）、字典（Dict）

typedef struct dictht {
    // entry数组 数组中保存的是指向entry的指针
    dictEntry **table;
    // 哈希表的大小 2的n次方
    unsigned long size;
    // 哈希表大小的掩码，size -1
    unsigned long sizemask;
    // entry 个数
    unsigned long used;
} dictht;

typedef struct dictEntry {
    void *key; //键
    union {
        void *val;
        uint64_t u64;
        int64_t s64;
        double d;
    } v; // 值
    // 下一个Entry的指针
    struct dictEntry *next;
} dictEntry;

当向Dict添加键值对时，Redis首先根据key计算出hash值（h），然后利用h & sizemask 来计算元素应该存储到数组中的哪个索引位置

typedef struct dict {
    dictType *type;  // dict 类型，内置不同hash函数
    void *privdata;  // 私有数据，在做特殊hash运算时使用
    dictht ht[2];   // 一个Dict包含两个哈希表，其中一个时当前数据，另一个一般是空，rehash时使用
    long rehashidx; /* rehash的进度， -1表示未进行 0表示开始rehash */
    int16_t pauserehash; /* rehash是否暂停，1暂停，0继续 */
} dict;

Dict的扩容

Dict中的HashTable就是数组+单向链表实现，当集合中元素较多时，必然导致哈希冲突增多，链表过长则查询效率大大降低

Dict在每次新增键值对都会检查负载因子 （LoadFactor = used / size），以下两种情况会进行哈希扩容

• 哈希表的LoadFactor >= 1, 并且服务器没有执行BGSAVE或者BGREWRITEAOF等后台进程 (CPU空闲)
• 哈希表的LoadFactor > 5

当删除元素时，也会对负载因子做检查，小于0.1时，会做哈希表收缩

扩缩容策略：渐进式rehash

1. 计算新hash表的size,值取决于当前要做的是扩容还是收缩:

• 如果是扩容，则新size为第一个大于等于dict.ht[0].used + 1的2^n

• 如果是收缩, 则新size为第一个大于等于dict.ht[0].used的2^n(不得小于4)

2. 按照新的size申请内存空间， 创建dictht, 并赋值给dict.ht[1]

3. 设置dict.rehashidx = 0,标示开始rehash

4. 每次执行新增、查询、修改、删除操作时，都检查一下dict.rehashidx是否大于-1, 如果是则将dict.ht[0].table[rehashidx]的entry链表rehash到dict.ht[1],并且将rehashidx++。直至dict.ht[0]的所有数据都rehash到dict.ht[1]

5. 将dict.ht[1]赋值给dict.ht[0], 给dict.ht[1]初始化为空哈希表,释放原来的dict.ht[0]的内存

6. 将rehashidx赋值为-1, 代表rehash结束

7. 在rehash过程中, 新增操作,则直接写入ht[1],查询、修改和删除则会在dict.ht[0]和dict.ht[1 ]依次查找并执行。这样可以确保ht[0]的数据只减不增，随着rehash最终为空

字典使用指针，内存不连续，可能产生大量内存锁片，且大量指针比较浪费空间

4.ZipList

是一种双端链表，由一系列特殊编码的连续内存块组成。可以在任意一端进行压入/ 弹出操作，并且该操作的时间复杂度为O(1)

ZipList中的Entry并不像普通链表那样记录前后节点的指针,因为记录两个指针要占用16个字节,浪费内存。而是采用

​ previous_ entry_ length encoding contents

• previous_ entry_ length: 前一 节点的长度,占1个或5个字节。

  • 如果前一节点的长度小于254字节，则采用1个字节来保存这个长度值
  • 如果前一节点的长度大于254字节，则采用5个字节来保存这个长度值，第一个字节为0xfe,后四个字节才是真实长度数据

• encoding: 编码属性,记录content的数据类型( 字符串还是整数)以及长度，占用1个、2个或5个字节

• contents: 负责保存节点的数据，可以是字符串或整数

通过这三个属性来进行遍历

ZipList的连锁更新问题，因为每个节点都会保存前一个结点的长度，如果新加的一个节点长度大于254字节，那么后面的结点记录的前一个结点长度占5个字节，此时假如这个结点+5字节后 超过了254字节，继续影响下一个结点，产生连锁更新问题。频繁申请空间了，影响性能

5.QuickList

ZipList虽然节省了内存，但是申请内存必须是连续空间，如果内存占用较多，申请内存效率很低

使用多个ZipList来分片存储数据

QuickList相当于使用一个双端链表将多个ZipList 挂起

list-max-ziplist-size 来限制ZipList中entry的个数 （参数为正表示个数，负表示占用内存）

• -1 每个ziplist的内存占用不超过4kb
• -2 每个ziplist的内存占用不超过8kb
• -3 每个ziplist的内存占用不超过16kb
• -4 每个ziplist的内存占用不超过32kb
• -5 每个ziplist的内存占用不超过64kb

list-compress-depth 来控制对节点ziplist压缩

• 0不压缩

• 1 首位各有1个节点不压缩，中间节点压缩

• 2 首位各有2个节点不压缩，中间节点压缩

typedef struct quicklist {
    quicklistNode *head;   // 头结点指针
    quicklistNode *tail;   // 尾结点指针
    unsigned long count;        /* 所有ziplist中entry的数量 */
    unsigned long len;          /* ziplist的总数量 */
    int fill : QL_FILL_BITS;              /* ziplist的entry上限，默认-2 */
    unsigned int compress : QL_COMP_BITS; /* 首位不压缩的节点数量 */
    unsigned int bookmark_count: QL_BM_BITS;            
    quicklistBookmark bookmarks[];
} quicklist;

typedef struct quicklistNode {
    // 前一个节点指针
    struct quicklistNode *prev;
    // 后一个节点指针
    struct quicklistNode *next;
    // 当前节点的ziplist指针
    unsigned char *zl;
    unsigned int sz;    // 当前节点的ziplist的字节大小

    unsigned int count : 16;     /* 当前ziplist的entry个数 */
    unsigned int encoding : 2;   /* 编码方式 1 ziplist 2 lzf压缩模式 */
    unsigned int container : 2;  /* 数据容器类型 1其他 2 ziplist */
    unsigned int recompress : 1; /* 是否被解压缩，1表示被解压了，将来要重新压缩 */
    unsigned int attempted_compress : 1; /*  */
    unsigned int extra : 10; /* 预留字段 */
} quicklistNode;

6.SkipList

跳表

• 元素按照升序排序存储（分数，分数若相同就按ele字典排序）
• 节点可能包含多个指针，指针跨度不同

最多32级指针

/* ZSETs use a specialized version of Skiplists */
typedef struct zskiplistNode {
    sds ele;  // 节点存储的值
    double score;  // 分数，排序、查找用
    struct zskiplistNode *backward;   // 前一个节点指针
    struct zskiplistLevel {
        struct zskiplistNode *forward;  // 下一个节点指针
        unsigned long span;   // 索引跨度
    } level[];   // 多级索引数组
} zskiplistNode;

typedef struct zskiplist {
    // 头尾节点指针
    struct zskiplistNode *header, *tail;
    // 节点数量
    unsigned long length;
    // 最大的索引层级，默认是1
    int level;
} zskiplist;

与红黑树对比：增删改查效率基本一致，实现却更简单

7.RedisObject

Redis中的任意数据类型的key和value都会被封装为一个RedisObject（Redis对象）

typedef struct redisObject {
    unsigned type:4; // 对象类型，分别为五种基本数据类型  占4个bit位
    unsigned encoding:4; // 编码方式 11 中 占4个bit位
    unsigned lru:LRU_BITS; /*LRU表示对象最后一次被访问的时间，占24个bit位。便于判断空闲时间太久的key*/
    int refcount;  // 引用计数器 0表示对象无人引用 可以被回收
    void *ptr;  // 指针，指向存放实际数据的空间
} robj;

共16字节 相当于Redis中key或者value的头部分

Redis中会根据存储的数据类型不同，选择不同的编码方式。

二、Redis中五种基本数据结构

1. String

底层实现：

• 基本编码方式是RAW，基于简单动态字符串(SDS)实现，存储上限为512mb
  

• 如果存储的SDS长度小于44字节，则会采用embstr编码，此时object head与SDS是一段连续空间。申请内存时只需要调用依次内存分配函数，效率更高

（SDS长度为44字节 使用8位格式的sds 头部占3个字节尾部1个字节，而RedisObject占16字节，总共64字节 便于分配内存空间）

• 如果存储的字符串是整数值，大小在LONG_MAX范围内，会采用Int编码：直接将数据保存在RedisObject的ptr指针位置（刚好8字节），无需SDS

应用场景：

1. json字符串格式的对象

2. 常规计数 （redis单线程，执行命令的过程是原子的）

3. 分布式锁 SET 命令 NX参数 可以实现 key不存在才插入，EX设置过期时间，防止客户端异常造成锁无法释放

• 如果key不存在，则显示插入成功，可以表示加锁成功

• 如果key存在，显示插入失败，可以用来表示加锁失败

​ 解锁就是删除 key ，在删除前需要判断是否是自己的锁，防误删。因此解锁就是两步操作，使用Lua脚本保证原子性

共享session问题

在分布式系统中，用户的session由于存储在单个服务器上，当用户第二次访问，系统（负载均衡）把请求分配到其他的服务器上由于没有session，出现重复登录的问题。

一种比较高效的方案就是： 将session存入Redis中，以key的过期时间代表session的过期时间。服务器验证用户是否登录时，从redis中取session进行验证。

2. List

底层实现

底层实现QuickList：LinkedList+ZipList 可以双端访问，内存占用低，包含多个ZipList,存储上限高

参考QuickList

应用场景：

消息队列

通过lpush+Rpop 或者 Rpush+Lpop 命令来实现消息队列，按照消息的先进先出特性可以保证消息的有序，

Brpop命令阻塞式读取，消费者没有读到数据时会自动阻塞，防止消费者不断尝试取消息（没有通知机制）

重复消费问题：

使用 自定义全局ID标记消息，在消费者中维护一个记录已经消息的消息ID

可靠性：

消费者在处理消息时如果宕机就造成了消息丢失，List中提供一个BRPOPLPUSH 命令，作用是让消费者程序从一个 List 中读取消息，同时，Redis 会把这个消息放入到另一个 List（可以叫作备份 List）留存

缺陷： 不支持多个消费者消费同一条消息

3. Set

底层实现

单列集合，元素唯一，对查询效率要求极高，不一定元素有序

• 为了查询效率和唯一性，set底层使用HT编码（Dict）。Dict中的key用来存储元素，value统一位null
• 当存储数据都是整数，且不超过set-max-intset-entries时（默认512），Set采用IntSet编码，节省内存

robj *setTypeCreate(sds value) {
    // 判断value是否 是数值类型 longlong
    if (isSdsRepresentableAsLongLong(value,NULL) == C_OK)
        // 如果是数值类型，采用IntSet编码
        return createIntsetObject();
    // 否则采用默认编码HT
    return createSetObject();
}

应用场景：

点赞：key可以是帖子、blog、评论， value是用户id列表，也方便求点赞总数

共同关注：交集运算 key为用户id，value为关注的id列表

抽奖：key为活动名称，value为参与人 SRANDMEMBER 允许重复中奖 SPOP 不允许重复中奖

4. ZSet

底层实现

也就是SortedSet，其中每一个元素都需要指定一个score值和member值

• 可以根据score值排序
• member必须唯一
• 根据member查询分数

底层实现为 SkipList跳表（排序） + Dict（键值存储、唯一）

当元素数量不多时，HT和SkipList的优势不明显，而且更耗内存。因此zset还会采用ZipList结构来节省内存，需要同时满足两个条件：

1. 元素数量小于zset_max_ziplist_entries，默认128

2. 每个元素都小于zset_max_ziplist_value字节，默认值64

ZipList本身无排序功能，没有键值对概念，zipList 将score和element紧挨着放一起，ele在前score在后。score越小越接近链表头部

应用场景

排行榜：

根据评分对帖子进行排行

获取指定评分范围内的数据，或者指定排名范围内的数据

ZRANGE key min max : 按照score排序后，获取指定排名范围内的元素

ZRANGEBYSCORE key min max: 按照score排序后，获取执行score范围内的元素

5. Hash

• 键值存储

• 根据键获取值

• 键必须唯一

底层实现

• Hash结构默认采用ZipList编码，用以节省内存。ZipList中两个相邻的entry分别保存field和value

• 当数据量较大时，Hash结构会转为HT编码，也就是Dict

1. ZipList中的元素数量超过了hash-max-ziplist-entries （默认512）
2. ZipList中的任意entry大小超过了hash-max-ziplist-value（默认64字节）

int hashTypeSet(robj *o, sds field, sds value, int flags) {
    int update = 0;
   // 判断是否时ZipList编码
    if (o->encoding == OBJ_ENCODING_ZIPLIST) {
        unsigned char *zl, *fptr, *vptr;
            
        zl = o->ptr;
         // 查询 头指针
        fptr = ziplistIndex(zl, ZIPLIST_HEAD);
        if (fptr != NULL) {   // 头指针不为NULL ziplist不为空，开始查key
            fptr = ziplistFind(zl, fptr, (unsigned char*)field, sdslen(field), 1);
            if (fptr != NULL) {     // 判断key是否存在 如果存在直接更新覆盖
                /* Grab pointer to the value (fptr points to the field) */
                vptr = ziplistNext(zl, fptr);
                serverAssert(vptr != NULL);
                update = 1;

                /* Replace value */
                zl = ziplistReplace(zl, vptr, (unsigned char*)value,
                        sdslen(value));
            }
        }
            // 不存在，直接 插入ziplist尾部
        if (!update) {
            /* Push new field/value pair onto the tail of the ziplist */
            zl = ziplistPush(zl, (unsigned char*)field, sdslen(field),
                    ZIPLIST_TAIL);
            zl = ziplistPush(zl, (unsigned char*)value, sdslen(value),
                    ZIPLIST_TAIL);
        }
        o->ptr = zl;
     
        /* 插入了新元素 检查 list长度是否超出，超出则转为HT */
        if (hashTypeLength(o) > server.hash_max_ziplist_entries)
            hashTypeConvert(o, OBJ_ENCODING_HT);
    } else if (o->encoding == OBJ_ENCODING_HT) {
        // HT编码 直接插入新元素或者覆盖旧值
        dictEntry *de = dictFind(o->ptr,field);
        if (de) {
            sdsfree(dictGetVal(de));
            if (flags & HASH_SET_TAKE_VALUE) {
                dictGetVal(de) = value;
                value = NULL;
            } else {
                dictGetVal(de) = sdsdup(value);
            }
            update = 1;
        } else {
            sds f,v;
            if (flags & HASH_SET_TAKE_FIELD) {
                f = field;
                field = NULL;
            } else {
                f = sdsdup(field);
            }
            if (flags & HASH_SET_TAKE_VALUE) {
                v = value;
                value = NULL;
            } else {
                v = sdsdup(value);
            }
            dictAdd(o->ptr,f,v);
        }
    } else {
        serverPanic("Unknown hash encoding");
    }

    /* Free SDS strings we did not referenced elsewhere if the flags
     * want this function to be responsible. */
    if (flags & HASH_SET_TAKE_FIELD && field) sdsfree(field);
    if (flags & HASH_SET_TAKE_VALUE && value) sdsfree(value);
    return update;
}

应用场景：

存储对象类型的数据很方便，可以关联同一个对象的不同属性

购物车，以用户id为key，商品id为field，商品数量为value