redis的string字符串是动态字符串，是可以修改的字符串，内部结构的实现类似于java的ArrayList，采用预分配冗余空间的方式来减少内存的频繁分配

Posted 2021-06-25 阿啄debugIT

前言

字符串string是Redis最简单的数据结构，它的内部表示就是一个字符数组。

Redis的字符串是动态字符串，是可以修改的字符串，内部结构的实现类似于java的ArrayList，采用预分配冗余空间的方式来减少内存的频繁分配。

redis的string内部实现

Redis内部构建了一个简单的动态字符串来存储，数据结构为：

struct SDS {
  // 数组容量
  T capacity; 
   // 数组长度
  T len;
  // 特殊标识位
  byte flags; 
  // 数组内容
  byte[] buf;
}

在数据结构中，长度的类型使用的是泛型，而没有直接用int，这是因为当字符串比较短时，可以使用byte和short来表示。

其中，Buf存储的是真正的字符串内容，capacity表示所分配的数组长度，len表示字符串的长度，当数组没有冗余空间，追加内容时会分配新的数组，将旧数组中的内容拷贝出来，再append新的内容。
redis规定字符串的最大长度为512MB，创建字符串时len和capacity一样长，不分配新的冗余空间。

Redis字符串存储结构示意图：

最后一个'\\0'为空字符串，不计算在len长度中，这样做是为了遵循C语言字符串的实现规则。

当Redis字符串长度变大时：

1. 判断capacity长度，是否足够存储新增的字符，如果满足，则无需扩容，否则进行扩容；
2. 如果len<=1MB，则加倍进行扩容，即capacity*2，然后继续进行判断；
3. 如果len>1MB时，则1次只会增加1MB的空闲空间，然后继续进行判断；
4. 字符串长度最大扩容到512MB

当Redis字符串进行缩减时，不会立即回收减少的部分，而是会分配给下一个需要内存的程序。

redis的string扩容机制

redis的字符串有两种存储方式，在长度特别短的时候，用emb形式存储，当长度超过44时，使用raw形式存储。这两种存储方式结构如下：

redis的对象头结构

struct RedisObject {
    int4 type; // 4bits
    int4 encoding; // 4bits
    int24 lru; // 24bits
    int32 refcount; // 64bits
    void *ptr; // 64bits
} robj;

整个RedisObject对象头需占16个字节。

RedisObject = type(4bits)+encoding(4bits)+LRU(24bits)+refcount(32bits)+ptr(64bits)=128bits

SDS的结构

SDS的结构使用的是范型，当字符串比较短时，len和capacity可以使用byte和short表示，

所以最小的对象头大小为content的长度+3，结构如下:

struct SDS {
   // 1byte
  int8 capacity; 
  // 1byte
  int8 len; 
  // 1byte
  int8 flags; 
  // 内联数组，长度为 capacity 
  byte[] buf; 
}

SDS = capacity(8bits)+len(8bits)+flags(8bits)+content;

redis为容纳一个完整的 embstr 对象，内存分配器最少会分配 32 字节的空间，如果字符串再稍微长一点，那就是 64 字节的空间。

如果总体超出了 64 字节，Redis 认为它是一个大字符串，不再使用 emdstr 形式存储，而该用 raw 形式。

RedisObject = type(4bits)+encoding(4bits)+LRU(24bits)+refcount(32bits)+ptr(64bits)=16字节;
SDS = capacity(8bits)+len(8bits)+flags(8bits)+Buf=3字节+Buf;

Buf剩余最多的长度只有45(64-19)，而Buf中的字符串又是已 \\0结尾，所有 embstr最大的字符串长度为44。

扩容策略

字符串的长度在小于1M时，扩容采用加倍策略，当长度大于1M时，为避免加倍的冗余空间过大，而导致浪费，每次分配只会多1M的冗余空间。

redis的string字符串命令

命令	描述
SET key value	设定指定key的值
GET key	获取指定key的值
SETRANGE key offset value	从偏移量offset开始重写value的值。如当前key为hello，SETRANGE key 2 x后的value值为hexlo
GETRANGE key start end	返回key中字符串值的下标从start到end的子字符串
GETSET key value	将给定key的值设置为value，并返回key的旧值
SETBIT key offset value	对 key 所储存的字符串值，设置或清除指定偏移量上的位(bit)。value只能是0或者1
GETBIT ket offset	对 key 所储存的字符串值，获取指定偏移量上的位(bit)。
MSET key1 value1 [key2 value2 ...]	同时设置多个key-value对
MGET key1 [key2...]	获取所有给定key的值
SETEX key seconds value	设置key的值，并设置key的有效时间为seconds秒
SETNX key value	只有在key不存在时，才设置key的值
STRLEN key	返回key存储的字符串值得长度
INCR key	将key中存储的数字加1，默认从0开始
INCRBY key increment	将key存储的值增加上指定的增量increment
INCRBYFLOAT key increment	将key存储的值增加上指定的浮点增量increment
DECR key	将key中存储的数字减1，默认从0开始
DECRBY key increment	将key存储的值减少指定的增量increment
APPEND key value	如果key存在并且是一个字符串，则将value的值追加到key原来值得后面。如果key不存在，则相当于set操作

应用场景

计数器

incr和decr的命令，是将key中存储的数字的值，加1和减1，这2个操作具有原子性，因此可以用来计算。

如：评论数，点赞数，分享数等。

分布式锁

setnx的作用，是当key不存在时，设置值并返回1，当key已经存在，不设置值并返回0，而这个操作也是原子性的，所以可以用来做分布式锁。

返回1表示获得到了锁，返回0表示没有获得到锁；然后使用del删除key来释放锁。

可以同时给key设置一个过期时间，这样当del删除失败时，也可以保证锁能够释放。

缓存

set操作可以存储值，可以将数据对象，进行序列化操作后，存储起来作为缓存使用。

用户签到记录

可以使用位图（byte数组）来记录用户的签到记录，每天的签到记录只占据一个位，365天就是365个位，46个字节就可以完全容纳下。