redis 系列5 数据结构之字典(上)

Posted 2021-01-17 花阴偷移

一. 概述

　　字典又称符号表(symbol table),关联数组(associative array), 映射(map)，是一种用于保存键值对(key-value pair)的抽象数据结构。在字典中，一个key和一个value进行关联称为键值对。在字典中每个键都是唯一的，程序可以在字典中根据键查找关联的值，或通过键更新删除值等操作。在C语言中并没有内置这种数据结构，因此Redis构建了自己的字典实现。在Redis中应用广泛， 对数据库的增，删，查，改 都是构建在对字典的操作之上的。

-- 例1
127.0.0.1:6379> set msg "hello world"
OK
127.0.0.1:6379> get msg
"hello world"

　　在例1中数据库创建一个键为"msg",值为"hello world"的键值对，这个键值对就是保存在数据库的字典里面。字典还是哈希键的底层实现之一，当哈希键包含的键值对比较多，或者键值对中的元素都是比较长的字符串时，Redis就会使用字典作为哈希键的底层实现。

-- 例2: website是一个包含3个键值对的哈希键(也叫哈希表)，哈希键(key)为 website，哈希键的节点键是:数据库名字，哈希键的节点值是:网址
    127.0.0.1:6379> hmset website redis "Redis.io" mariadb "mariadb.org" mongodb "mongodb.org" 
OK
127.0.0.1:6379> hlen website
(integer) 3
127.0.0.1:6379> hgetall website
1) "redis"
2) "Redis.io"
3) "mariadb"
4) "mariadb.org"
5) "mongodb"
6) "mongodb.org"

　　在例2中,website哈希键的底层实现就是一个字典。字典中包含了3个键值对。字典除了用来实现数据库和哈希键之处，Redis在后续学习中会看到各种不同应用。

 

二. 字典的实现

　　 一个哈希(键)表里面可以有多个哈希节点(key-vlaue), 每个哈希节点保存了字典的一个键值对。下面三个小节将分别介绍Redis的哈希表，哈希表节点，以及字典的实现。

　　2.1 哈希表定义

typedef struct dictht
      {
         //哈希表数组，C语言中，*号是为了表明该变量为指针，有几个* 号就相当于是几级指针，这里是二级指针，理解为指向指针的指针
         dictEntry **table;

         //哈希表大小
         unsigned long size;

         //哈希表大小掩码，用于计算索引值
         unsigned long sizemask;

         //该哈希已有节点的数量
          unsigned long used;

      }dictht;

　　　　上面table属性是一个数组，数组中的每个元素都是一个指向dict.h/dictEntry结构的指针，每个dictEntry结构保存着一个键值对，size属性记录了哈希表的大小，也是table数组的大小，而used属性则记录哈希表目前已有节点(键值对)的数量。sizemask属性的值总是等于 size-1(从0开始)，这个属性和哈希值一起决定一个键应该被放到table数组的哪个索引上面。

　　　　例如：上面例2中，哈希表叫website,  对应一个dictht 结构，键值对table数组值是[3], 哈希表size值是3，索引值sizemask值是2，已有节点数量used值是3。

　　2.2 哈希表节点定义 (键值对)

//哈希表节点定义dictEntry结构表示，每个dictEntry结构都保存着一个键值对。
    typedef struct dictEntry
      {
         //键
         void *key;
         //值
         union{
           void *val;
            uint64_tu64;
            int64_ts64;
            }v;

         // 指向下个哈希表节点，形成链表
         struct dictEntry *next;
      }dictEntry;

　　　　上面dictEntry 结构中，key属性保存着键值中的键，而v属性则保存着键值对中的值，其中键值(v属性)可以是一个指针，或uint64_t整数，或int64_t整数。 next属性是指向另一个哈希表节点的指针，这个指针可以将多个哈希值相同的键值对连接在一起，解决键冲突问题。

　　　　下图通过next指针，将两个索引值相同(索引是2)的键k1和k0连接在一起。

　　2.3 字典定义

// Redis中的字典由dict.h/dict结构表示
          typedef struct dict
      {
         //类型特定函数
         void *type;

         //私有数据
         void *privdata;

         //哈希表
         dictht ht[2];

         // rehash 索引
         int  trehashidx; 
      }dict;

　　　　 type属性和privdata属性是针对不同类型的键值对，为创建多态字典而设置的，type属性是一个指向dictType结构的指针，每个dictType用于操作特定类型键值对的函数，Redis会为用途不同的字典设置不同的类型特定函数。 而privdata属性则保存了需要传给给那些类型特定函数的可选参数。

 typedef struct dictType
      {
         //计算哈希值的函数 
        unsigned int  (*hashFunction) (const void *key);

         //复制键的函数
         void *(*keyDup) (void *privdata,const void *key);

         //复制值的函数
         void *(*keyDup) (void *privdata,const void *obj);

          //复制值的函数
         void *(*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 (*keyDestructor) (void *privdata, void *obj);
      }dictType;

View Code

　　　　ht属性是一个包含两个项的数组，数组中的每个项都是一个dictht哈希表， 一般情况下，字典只使用ht[0] 哈希表, ht[1]哈希表只会对ht[0] 哈希表进行rehash时使用。另一个和rehash有关的属性是rehashidx,它记录了rehash目前的进度，如果目前没有进行rehash，值为-1。下面图是一个没有进行rehash的字典。

　　rehash是指渐进式的哈希，一张表是旧表，一张表是新表，当hashtable的大小需要动态改变的时候，旧表中的元素就往新开辟的新表中迁移，当下一次变动大小，当前的新表又变成了旧表，以此达到资源的复用和效率的提升。