Redis 存储结构设计

Base 2.8.7
Redis是一个包含了很多Key-Value对的大字典,这个字典支持的Value非常丰富,可以为 字符串、哈希表、列表、集合和有序集,基于这些类型丰富的value,扩展出了功能强大的操作,例如hmset、lpush、sadd等

字典

字典是Redis最基础的数据结构,一个字典即一个DB,Redis支持多DB

Redis字典采用Hash表实现,针对碰撞问题,其采用的方法为链地址法,即将多个哈希值相同的节点串连在一起, 从而解决冲突问题。
“链地址法”的问题在于当碰撞剧烈时,性能退化严重,例如:当有n个数据,m个槽位,如果m=1,则整个Hash表退化为链表,查询复杂度O(n)
为了避免Hash碰撞攻击,Redis随机化了Hash表种子
Redis的方案是“双buffer”,正常流程使用一个buffer,当发现碰撞剧烈(判断依据为当前槽位数和Key数的对比),分配一个更大的buffer,然后逐步将数据从老的buffer迁移到新的buffer。

Redis字典结构如下:
typedef struct dict {
    dictType *type; 
    void *privdata; 
    dictht ht[2]; //双buffer
    int rehashidx; 
    int iterators;
} dict;

typedef struct dictht {
    dictEntry **table; //hash链表
    unsigned long size;
    unsigned long sizemask;
    unsigned long used;
} dictht;

//数据节点<K,V>
typedef struct dictEntry {
    void *key;
    union {
        void *val;
        uint64_t u64;
        int64_t s64;
    } v;
    struct dictEntry *next;
} dictEntry;
redisObject是真正存储redis各种类型的结构,其内容如下:
typedef struct redisObject {
    unsigned type:4; //逻辑类型
    unsigned notused:2;     /* Not used */
    unsigned encoding:4; //物理存储类型
    unsigned lru:22;        /* lru time (relative to server.lruclock) */
    int refcount;
    void *ptr;  //具体数据
} robj;
其中type即redis支持的逻辑类型,包括:
#define REDIS_STRING 0
#define REDIS_LIST 1
#define REDIS_SET 2
#define REDIS_ZSET 3
#define REDIS_HASH 4
enconding为物理存储方式,一种逻辑类型可以使用不同的存储方式,包括:
#define REDIS_ENCODING_RAW 0     /* Raw representation */
#define REDIS_ENCODING_INT 1     /* Encoded as integer */
#define REDIS_ENCODING_HT 2      /* Encoded as hash table */
#define REDIS_ENCODING_ZIPMAP 3  /* Encoded as zipmap */
#define REDIS_ENCODING_LINKEDLIST 4 /* Encoded as regular linked list */
#define REDIS_ENCODING_ZIPLIST 5 /* Encoded as ziplist */
#define REDIS_ENCODING_INTSET 6  /* Encoded as intset */
#define REDIS_ENCODING_SKIPLIST 7  /* Encoded as skiplist */

字符串

Redis的所有的key都采用字符串保存,另外,Redis也支持字符串类型的value。
字符串类型即前文中看到的REDIS_STRING,其物理实现(enconding)可以为 REDIS_ENCODING_INT或REDIS_ENCODING_RAW 
REDIS_ENCODING_INT保存为long型,即redis会尝试将一个字符串转化为Long,可以转换的话,即保存为REDIS_ENCODING_INT
否则,Redis会将REDIS_STRING保存为字符串类型,即REDIS_ENCODING_RAW
字符串类型在redis中用sds封装,主要为了解决长度计算和追加效率的问题,其定义如下:
typedef char *sds;
struct sdshdr {
    int len; // buf 已占用长度 
    int free; // buf 剩余可用长度  
    char buf[];// 柔性数组,实际保存字符串数据的地方
};
static inline size_t sdslen(const sds s) {
    struct sdshdr *sh = (void*)(s-(sizeof(struct sdshdr)));
    return sh->len;
}
static inline size_t sdsavail(const sds s) {
    struct sdshdr *sh = (void*)(s-(sizeof(struct sdshdr)));
    return sh->free;
}
有时间的同学可以详细看下Sds.h和Sds.c两个文件,还是很有意思的。

Hash表

Redis支持Value为Hash表,其逻辑类型为REDIS_HASH,REDIS_HASH可以有两种encoding方式: REDIS_ENCODING_ZIPLIST 和 REDIS_ENCODING_HT
REDIS_ENCODING_HT即前文提到的字典的实现
REDIS_ENCODING_ZIPLIST即ZIPLIST,是一种双端列表,且通过特殊的格式定义,压缩内存适用,以时间换空间。ZIPLIST适合小数据量的读场景,不适合大数据量的多写/删除场景
Hash表默认的编码格式为REDIS_ENCODING_ZIPLIST,在收到来自用户的插入数据的命令时:
1,调用hashTypeTryConversion函数检查键/值的长度大于 配置的hash_max_ziplist_value(默认64)
2,调用hashTypeSet判断节点数量大于 配置的hash_max_ziplist_entries (默认512)

以上任意条件满足则将Hash表的数据结构从REDIS_ENCODING_ZIPLIST转为REDIS_ENCODING_HT

列表

Redis支持Value为一个列表,其逻辑类型为REDIS_SET,REDIS_SET有两种encoding方式,REDIS_ENCODING_ZIPLIST和REDIS_ENCODING_LINKEDLIST
REDIS_ENCODING_ZIPLIST同上
REDIS_ENCODING_LINKEDLIST是比较正统双端链接表的实现:
typedef struct listNode {
    struct listNode *prev;
    struct listNode *next;
    void *value;
} listNode;
列表的默认编码格式为REDIS_ENCODING_ZIPLIST,当满足以下条件时,编码格式转换为REDIS_ENCODING_LINKEDLIST
1,元素大小大于list-max-ziplist-value(默认64)
2,元素个数大于 配置的list-max-ziplist-entries(默认512)

集合

Redis支持Value为集合,其逻辑类型为REDIS_SET,REDIS_SET有两种encoding方式: REDIS_ENCODING_INTSET 和 REDIS_ENCODING_HT(同上)
集合的元素类型和数量决定了encoding方式,默认采用REDIS_ENCODING_INTSET ,当满足以下条件时,转换为REDIS_ENCODING_HT:
1. 元素类型不是整数
2. 元素个数超过配置的“set-max-intset-entries”(默认512)
REDIS_ENCODING_INTSET是一个有序数组,使用的数据结构如下:
typedef struct intset {
    uint32_t encoding;  //3种类型:INTSET_ENC_INT16、INTSET_ENC_INT32、INTSET_ENC_INT64
    uint32_t length; //元素个数
    int8_t contents[]; //元素实际存放的位置,按序排放
} intset;
Redis会根据整数大小选择最适合的类型,当发生变更时,进行调整

有序集

Redis支持Value为有序集合,其逻辑类型为REDIS_ZSET,REDIS_ZSET有两种encoding方式: REDIS_ENCODING_ZIPLIST(同上)和 REDIS_ENCODING_SKIPLIST
REDIS_ENCODING_SKIPLIST使用的数据结构如下,其同事:

typedef struct zset {
    dict *dict;  //Hash字典(同前文)
    zskiplist *zsl; //跳跃表
} zset;
由于有续集每一个元素包括:<member,score>两个属性,为了保证对member和score都有很好的查询性能,REDIS_ENCODING_SKIPLIST同时采用字典和有序集两种数据结构来保存数据元素。字典和有序集通过指针指向同一个数据节点来避免数据冗余。
字典中使用member作为key,score作为value,从而保证在O(1)时间对member的查找
跳跃表基于score做排序,从而保证在 O(logN) 时间内完成通过score对memer的查询
有续集默认也是采用REDIS_ENCODING_ZIPLIST的实现,当满足以下条件时,转换为REDIS_ENCODING_SKIPLIST
1. 数据元素个数超过配置的zset_max_ziplist_entries 的值(默认值为 128 )
2. 新添加元素的 member 的长度大于配置的 zset_max_ziplist_value 的值(默认值为 64 )

总结

针对同一种数据类型,Redis会根据元素类型/大小/个数采用不同的编码方式,不同的编码方式在内存使用效率/查询效率上差距巨大,在遇到内存问题时,可以尝试下修改相关参数:
hash-max-ziplist-entries 512
hash-max-ziplist-value 64
list-max-ziplist-entries 512
list-max-ziplist-value 64
set-max-intset-entries 512
zset-max-ziplist-entries 128
zset-max-ziplist-value 64


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