Redis中渐进式rehash

Posted 2020-12-17 The God Who Only Knows Four Wo

Redis一共支持5种数据结构，hash是其中的一种，在hash扩容的时候采用的是渐进式rehash的方式。要想深入理解渐进式rehash，首先要了解以下Redis中hash的数据结构。

哈希表节点

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

哈希表

/* This is our hash table structure. Every dictionary has two of this as we
 * implement incremental rehashing, for the old to the new table. */
typedef struct dictht {
    dictEntry **table; // 哈希表数组
    unsigned long size; // 哈希表大小
    unsigned long sizemask; // 掩码，计算索引值，size-1
    unsigned long used; // 哈希表已有节点的数量
} dictht;

字典

typedef struct dict {
    dictType *type; // 类型特定函数
    void *privdata; // 私有数据
    dictht ht[2]; // 哈希表
    // rehash索引
    long rehashidx; /* rehashing not in progress if rehashidx == -1 */
    unsigned long iterators; /* number of iterators currently running */
} dict;

特定函数

typedef struct dictType {
    // 计算哈希值的函数
    uint64_t (*hashFunction)(const void *key);
    // 复制键的函数
    void *(*keyDup)(void *privdata, const void *key);
    // 复制值的函数
    void *(*valDup)(void *privdata, const void *obj);
    // 对比键的函数
    int (*keyCompare)(void *privdata, const void *key1, const void *key2);
    // 销毁键的函数
    void (*keyDestructor)(void *privdata, void *key);
    // 销毁值的函数
    void (*valDestructor)(void *privdata, void *obj);
} dictType;

字典中包含一个数据结构dictht的ht数组，一般情况下字典只是用ht[0]用来存储数据，ht[1]在rehash时使用。

哈希算法原理

当向字典中添加一个元素时（假设此时 rehashidx = -1，也就是没有进行rehash），首先通过dict->type->hashFunction计算该元素的hash值，然后通过hash & dict->ht[x].sizemask计算哈希地址index。如果该元素对应的下标没有数据，则直接添加，否则采用链地址法添加到hash对应index元素的链表尾部。

rehash原理

随着操作的不断执行，哈希表中的元素会逐渐增加或者减少，为了让哈希表的负载因子维持在一个合理的范围内，程序需要对哈希表的大小进行相应的扩容和收缩。步骤如下：

1. 为ht[1]哈希表分配空间。如果是扩容操作，ht[1]的大小为第一个大于等于ht[0].used*2的2的n次方幂，如果是收缩操作，ht[1]的大小为第一个大于等于ht[0].used的2的n次方幂

2. 将保存在ht[0]中的所有键值对rehash到ht[1]：rehash指的是重新计算键的哈希值和索引值，然后将键值对放到ht[1]对应位置上

3. 当ht[0]包含的所有键值对都迁移到ht[1]之后，释放ht[0]，将ht[1]设置为ht[0]，并在ht[1]新创建一个空白哈希表，为下一次rehash做准备

渐进式rehash原理

在扩容和收缩的时候，如果哈希字典中有很多元素，一次性将这些键全部rehash到ht[1]的话，可能会导致服务器在一段时间内停止服务。所以，采用渐进式rehash的方式，详细步骤如下：

1. 为ht[1]分配空间，让字典同时持有ht[0]和ht[1]两个哈希表

2. 将rehashindex的值设置为0，表示rehash工作正式开始

3. 在rehash期间，每次对字典执行增删改查操作是，程序除了执行指定的操作以外，还会顺带将ht[0]哈希表在rehashindex索引上的所有键值对rehash到ht[1]，当rehash工作完成以后，rehashindex的值+1

4. 随着字典操作的不断执行，最终会在某一时间段上ht[0]的所有键值对都会被rehash到ht[1]，这时将rehashindex的值设置为-1，表示rehash操作结束

渐进式rehash采用的是一种分而治之的方式，将rehash的操作分摊在每一个的访问中，避免集中式rehash而带来的庞大计算量。

需要注意的是在渐进式rehash的过程，如果有增删改查操作时，如果index大于rehashindex，访问ht[0]，否则访问ht[1]