《Redis设计与实现》[第一部分]数据结构与对象-C源码阅读

Posted 2022-12-11 zhongrui_fzr

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了《Redis设计与实现》[第一部分]数据结构与对象-C源码阅读相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

四、跳跃表

关键字：层高随机

跳跃表支持平均O（logN）、最坏O(N)复杂度的结点查找，还可以通过顺序性操作来批量处理结点。

在大部分情况下，跳跃表的效率可以和平衡树相媲美，因为跳跃表的实现比平衡树来得更为简单，所以不少程序都使用跳跃表代替平衡树。

Redis使用跳跃表作为有序集合键的底层实现之一，如果有一个有序集合包含的元素数量比较多，或有序集合中元素的成员是比较长的字符串时，Redis就会使用跳跃表作为有序集合键的底层实现。

Redis只在两个地方用到了跳跃表，一个是实现有序集合键，另一个是在集群结点中用作内部数据结构

数据结构源码

Redis的跳跃表由redis.h/zskiplistNode和redis.h/zskiplist两个结构定义：

/*
 * 跳跃表节点
 */
typedef struct zskiplistNode 

    // 成员对象
    robj *obj;

    // 分值
    double score;

    // 后退指针
    struct zskiplistNode *backward;

    // 层
    struct zskiplistLevel 

        // 前进指针
        struct zskiplistNode *forward;

        // 跨度
        unsigned int span;

     level[];

 zskiplistNode;

zskiplistNode结构包含以下属性：

层（level）数组可以包含多个元素：每个层带有两个属性：前进指针和跨度。前进指针用于访问位于表尾方向的其他结点，而跨度则记录了前进指针所指向结点和当前节点的距离。当程序从表头向表尾进行遍历时，访问会沿着层的前进指针进行。层的数量越多，访问其他结点的速度就越快。
- 每次创建一个新跳跃表结点，程序都根据幂次定律（power law，越大的数出现的概率越小）随机生成一个介于1和32之间的值作为level数组的大小，即层的高度。
- 前进指针为NULL的层跨度为0
后退（backward）指针：结点中用BW字样标记结点的后退指针，它指向位于当前节点的前一个结点。后退指针在程序从表尾向表头遍历时使用。与可以一次跳过多个结点的前进指针不同，每个结点只有一个后退指针，所以每次只能后退至前一个结点
分值（score）：一个double类型的浮点数，跳跃表中，结点按各自所保存的分值从小到大排列
成员对象（obj）：一个指针，指向保存着一个SDS值的字符串对象
在同一个跳跃表中，各个节点保存的成员对象必须是唯一的，但是多个结点保存的分值可以相同：分值相同的结点按照成员对象在字典序中的大小排序，较小的排在前面（靠近表头）

/*
 * 跳跃表
 */
typedef struct zskiplist 

    // 表头节点和表尾节点
    struct zskiplistNode *header, *tail;

    // 表中节点的数量
    unsigned long length;

    // 表中层数最大的节点的层数
    int level;

 zskiplist;

zskiplist结构用于保存跳跃表结点的相关信息，如结点数量，指向表头结点和表尾结点的指针等：

header:指向跳跃表的表头结点
tail：指向跳跃表的表尾结点
level：记录目前跳跃表内，层数最大的那个结点的层数（表头结点的层数不计算在内）
length:记录跳跃表的长度，即，跳跃表目前包含结点的数量（表头结点不计算在内）

表头结点和其他结点的构造是一样的：表头结点也有后退指针、分值和成员对象，不过表头结点的这些属性都不会被用到。

五、整数集合

关键字：升级规则

整数集合（intset）是集合键的底层实现之一，当一个集合只包含整数值元素，并且这个集合的元素数量不多时，Redis就使用整数集合作为集合键的底层实现。

数据结构源码

typedef struct intset 

    // 编码方式
    uint32_t encoding;

    // 集合包含的元素数量
    uint32_t length;

    // 保存元素的数组
    int8_t contents[];

 intset;

整数集合（intset）是Redis用于保存整数值的集合抽象数据结构，可以保存类型为int16_t、int32_t或int64_t的整数值，并且保证集合中不会出现重复元素。

contents数组是整数集合的底层实现：整数集合的每个元素都是contents数组的一个数组项，各个项在数组中按值的大小从小到大有序排列，并且数组中不包含任何重复项
length属性记录了整数集合包含的元素数量，即contents数组的长度
encoding属性：虽然intset结构将contents属性声明为int8_t类型的数组，但实际上contents数组并不保存任何int8_t类型的值，contents数组的真正类型取决于encoding属性的值
- 若encoding属性的值为INTSET_ENC_INT16,那么contents就是一个int16_t类型的数组，数组里的每个项都是一个int16_t类型的整数值（最小为-32768，最大为32767）
- 如果encoding属性的值为INTSET_ENC_INT32，那么contents是一个int32_t类型的数组，每个项都是一个int32_t类型的整数值（最小-2147483648，最大2147483647）
- 如果encoding属性的值为INTSET_ENC_INT64，那么contents是一个int64_t类型的数组，数组每个项是一个int64_t类型的整数值（最小为-9223372036854775808，最大为9223372036854775807）

整数集合的升级策略

当将一个新元素添加到整数集合里面，并且新元素的类型比整数集合现有所有元素的类型都要长时，整数集合需要先进行升级（upgrade），然后才能将新元素添加到整数集合里面。

升级整数集合并添加新元素共分为三步进行：

根据新元素的类型，扩展整数集合底层数组的空间大小，并为新元素分配空间
将底层数组现有的所有元素都转换成与新元素相同的类型，并将类型转换后的元素放置到正确的位置上，而且在放置元素的过程中，需要继续维持底层数组的有序性质不变
讲新元素添加到底层数组里面

因为每次向整数集合添加新元素都可能会引起升级，而每次升级都需要对底层数组中已有的所有元素进行类型转换，所以向整数集合添加新元素的时间复杂度为O(N)

引发升级的新元素长度总是比整数集合现有所有元素的长度都大，所以这个新元素的值要么大于所有现有元素，要么小于所有现有元素：

新元素小于所有现有元素，新元素会被放置在底层数组的最开头（索引0）
新元素大于所有现有元素，新元素放置在底层数组的最末尾（索引length-1）

整数集合的升级策略有两个好处：

提升整数集合的灵活性，可以随意将int16_t、int32_t或int64_t类型的整数添加到集合中，不必担心出现类型错误
节约内存，这样做可以让集合能同时保存三种不同类型的值，又可以确保升级操作只会在有需要的时候进行

整数集合不支持降级操作，一旦对数组升级，编码就会一直保持升级后的状态。

六、压缩列表

关键字：连锁更新

压缩列表（ziplist）是列表键和哈希键的底层实现之一。当一个列表键只包含少量列表项，且每个列表项要么是小整数值，要么是长度比较短的字符串，那么Redis就会是一压缩列表来做列表键的底层实现

压缩列表是Redis为了节约内存开发的，是由一系列特殊编码的连续内存块组成的顺序型（sequential）数据结构。一个压缩列表可以包含任意多个结点（Entry），每个结点保存一个字节数组或一个整数值。

数据结构源码

/* 
空白 ziplist 示例图

area        |<---- ziplist header ---->|<-- end -->|

size          4 bytes   4 bytes 2 bytes  1 byte
            +---------+--------+-------+-----------+
component   | zlbytes | zltail | zllen | zlend     |
            |         |        |       |           |
value       |  1011   |  1010  |   0   | 1111 1111 |
            +---------+--------+-------+-----------+
                                       ^
                                       |
                               ZIPLIST_ENTRY_HEAD
                                       &
address                        ZIPLIST_ENTRY_TAIL
                                       &
                               ZIPLIST_ENTRY_END

非空 ziplist 示例图

area        |<---- ziplist header ---->|<----------- entries ------------->|<-end->|

size          4 bytes  4 bytes  2 bytes    ?        ?        ?        ?     1 byte
            +---------+--------+-------+--------+--------+--------+--------+-------+
component   | zlbytes | zltail | zllen | entry1 | entry2 |  ...   | entryN | zlend |
            +---------+--------+-------+--------+--------+--------+--------+-------+
                                       ^                          ^        ^
address                                |                          |        |
                                ZIPLIST_ENTRY_HEAD                |   ZIPLIST_ENTRY_END
                                                                  |
                                                        ZIPLIST_ENTRY_TAIL
*/

zlbytes属性:uint32_t类型，4个字节，记录整个压缩列表占用的内存字节数：在对压缩列表进行内存重分配，或计算zlend的位置时使用
zltail属性：uint32_t类型，4个字节，记录压缩列表表尾结点距离压缩列表的起始地址有多少字节：通过这个偏移量，无须遍历整个压缩列表就可以确定表尾结点的地址
zllen属性：uint16_t类型，2个字节，记录了压缩列表包含的结点数量：当这个值小于uint16_max（65535）时，这个值是压缩列表包含结点的数量；当这个值等于uint16_max时，结点的真实数量需要遍历整个压缩列表才能计算出
extryX属性：列表结点，字节数不定，压缩列表包含的各个节点，结点的长度由节点保存的内容决定
zlend属性：uint8_t类型，1个字节，特殊值0xFF（十进制255），用于标记压缩列表的末端

/*
 * 保存 ziplist 节点信息的结构
 */
typedef struct zlentry 

    // prevrawlen ：前置节点的长度
    // prevrawlensize ：编码 prevrawlen 所需的字节大小
    unsigned int prevrawlensize, prevrawlen;

    // len ：当前节点值的长度
    // lensize ：编码 len 所需的字节大小
    unsigned int lensize, len;

    // 当前节点 header 的大小
    // 等于 prevrawlensize + lensize
    unsigned int headersize;

    // 当前节点值所使用的编码类型
    unsigned char encoding;

    // 指向当前节点的指针
    unsigned char *p;

 zlentry;

每个压缩列表结点可以保存一个字节数组或者一个整数值，其中，字节数组可以是以下三种长度的其中一种：

长度小于等于63（2^6-1）字节的字节数组
长度小于等于16383（2^14-1）字节的字节数组
长度小于等于4294967295（2^32-1）字节的字节数组

整数值则可以是以下中的一种：

4位长，介于0到12之间的无符号整数
1字节长的有符号整数
3字节长的有符号整数
int16_t类型整数
int32_t类型整数
int64_t类型整数

每个压缩列表结点都由previous_entry_length、encoding、content三个部分：

结点的previous_entry_length属性以字节为单位，记录了压缩列表中前一个结点的长度。previous_entry_length属性的长度可以是1字节或5字节
- 若前一结点的长度小于254字节，那么previous_entry_length的长度为1字节：前一结点的长度就保存在这一个字节里面
- 如果前一结点长度大于等于254字节，那么previous_entry_length属性的长度为5字节：其中属性的第一字节会被设置为0xFE（十进制254），而之后的四个字节则用于保存前一结点的长度
- 因为结点的previous_entry_length属性记录了前一个结点的长度，所以程序可以通过指针运算，根据当前节点的起始地址计算出前一个结点的起始地址
- 压缩列表的从表尾向表头遍历操作就是使用这一原理实现的，只要拥有一个指向某个结点起始地址的指针，那么通过这个指针以及这个结点的previous_entry_length属性，就可以一直向前一个结点回溯，最终到达压缩列表的表头结点。
encoding属性记录了结点的content属性所保存数据的类型以及长度：
- 一字节、两字节或五字节长，值的最高位为00、01或者10的是字节数组编码：这种编码表示节点的content属性保存着字节数组，数组的长度由编码除去最高两位之后的其他位记录
- 一字节长，值的最高位以11开头的是整数编码：这种编码表示节点的content属性保存着整数值，整数值的类型和长度由编码最高两位之后的其他位记录
content属性保存结点的值，结点值可以是一个字节数组或整数，值的类型和长度由节点的encoding属性决定

连锁更新

压缩列表的添加新节点操作和删除结点操作都可能会引发连锁更新：

连锁更新在最坏情况下需要对压缩列表执行N次空间重分配操作，而每次空间重分配的最坏复杂度为O（N），所以连锁更新的最坏复杂度为O(N^2)

尽管连锁更新的复杂度较高，但它真正造成性能问题的可能性不大：

压缩列表要恰好有多个连续、长度介于250字节到253字节之间的结点，连锁更新才可能被引发
其次，即使出现连锁更新，但只要被更新的结点数量不多，就不会对性能造成影响

七、对象

关键字：编码转换，多态命令，内存回收与共享，LRU

Redis基于以上数据结构创建了一个对象系统，这个系统包含字符串对象、列表对象、哈希对象、集合对象和有序集合对象这五种类型的对象，每种对象都用到了至少一种以上数据结构。

使用对象的好处：

Redis执行命令前，根据对象的类型判断一个对象是否可以执行给定命令
可以针对不同的使用场景，为对象设置多种不同的数据结构实现，从而优化对象在不同场景下的使用效率
Redis的对象系统实现了基于引用计数技术的内存回收机制，当程序不再使用某个对象的时候，这个对象所占用的内存就会被自动释放
Redis还通过引用计数技术实现了对象共享机制，通过让多个数据库键共享同一个对象来节约内存
Redis的对象带有访问时间记录信息，该信息可以用于计算数据库键的空转时长，在服务器启用maxmemory功能的情况下，空转时长大的那些键可能会被优先删除

数据结构源码

Redis使用对象来表示数据库中的键和值，数据库中新创建一个键值对时，至少会创建两个对象：键对象，用作键值对的键，值对象，用作键值对的值

typedef struct redisObject 

    // 类型
    unsigned type:4;

    // 编码
    unsigned encoding:4;

    // 对象最后一次被访问的时间，用于计算对象的空转时长
    // 当服务器占用的内存数超过了maxmemory选项设置的上限时，空转时长高的那部分键会优先被服务器释放，从而回收内存
    unsigned lru:REDIS_LRU_BITS; /* lru time (relative to server.lruclock) */

    // 引用计数
    int refcount;

    // 指向实际值的指针
    void *ptr;

 robj;

Redis中的每个对象都由一个redisObject结构表示，该结构中的type属性、encoding属性和ptr属性与保存数据有关：

type属性记录对象的类型，是常量，可选值有REDIS_STRING字符串对象，REDIS_LIST列表对象，REDIS_HASH哈希对象，REDIS_SET集合对象，REDIS_ZSET有序集合对象
对于Redis数据库保存的键值对来说，键总是一个字符串对象，而值则可以是字符串对象、列表对象、哈希对象、集合对象或者有序集合对象的一种
type命令的实现方式也类似，对一个数据库键执行type命令时，命令返回的结果为数据库键对应的值对象的类型。
encoding属性记录了对象所使用的编码，即对象使用了什么数据结构作为对象的底层实现

通过encoding设定对象所使用的编码，使得Redis可以根据不同的使用场景为一个对象设置不同的编码，从而优化对象在某一场景下的效率

字符串对象的编码转换

字符串对象的编码可以是int、raw或embstr。

如果一个字符串对象保存的是long类型的整数值，那么字符串对象会将整数值保存在字符串对象结构的ptr属性里（将void*转换成long），并将字符串对象的编码设置为int。

如果字符串对象保存的是一个字符串值，并且这个字符串值的长度小于等于32字节，那么字符串对象将使用embstr编码的方式来保存这个字符串值。

可以用long double类型表示的浮点数在Redis中也是作为字符串值保存的。

对于int编码的字符串对象，如果我们向对象执行了一些命令，使对象保存的不再是整数，而是一个字符串值，那么字符串对象的编码将从int变为raw。

embstr编码的字符串对象实际上是只读的。对embstr编码的字符串对象执行任何修改命令时，程序会先将对象的编码从embstr转换成raw，然后再执行修改命令。所以，embstr编码的字符串对象在执行修改命令后，总会变成一个raw编码的字符串对象

列表对象的编码转换

列表对象的编码可以是ziplist或Linkedlist。

ziplist编码的列表对象使用压缩列表作为底层实现，每个压缩列表结点（Entry）保存了一个列表元素。

Linkedlist编码的列表对象使用双端链表作为底层实现，每个双端链表结点（Node）保存一个字符串对象，而每个字符串对象保存一个列表元素。

当列表对象同时满足以下两个条件时，列表对象使用ziplist编码：

列表对象保存的所有字符串元素的长度都小于64字节
列表对象保存的元素数量小于512个

否则使用linkedlist编码。

哈希对象的编码转换

哈希对象的编码可以是ziplist或hashtable。

ziplist编码的哈希对象使用压缩列表作为底层实现，每当有新的键值对要加入到哈希对象时，程序会先将保存键的压缩列表结点推入到压缩列表表尾，然后再将保存值的压缩列表结点推入到压缩列表表尾：

保存了统一键值对的两个结点总是紧挨在一起，保存键的结点在前，保存值的结点在后
先添加到哈希对象中的键值对会被放在压缩列表的表头方向，而后来添加到哈希对象的键值对在压缩列表的表尾方向

hashtable编码的哈希对象使用字典作为底层实现，哈希对象中的每个键值对都使用一个字典键值对来保存：

字典的每个键都是一个字符串对象，对象中保存了键值对的键
字典的每个值都是一个字符串对象，对象中保存了键值对的值

当哈希对象同时满足下列两个条件时，哈希对象使用ziplist编码：

哈希对象保存的所有键值对的键和值的字符串长度都小于64字节
哈希对象保存的键值对数量小于512个

否则需要使用hashtable编码。

集合对象的编码转换

集合对象的编码可以是intset或hashtable。

intset编码的集合对象使用整数集合作为底层实现，集合对象包含的所有元素都被保存在整数集合里。

hashtable编码的集合对象使用字典作为底层实现，字典的每个键都是一个字符串对象，每个字符串对象包含一个集合元素，而字典的值则全部被设置为null.

当满足以下两个条件时，使用intset编码：

集合对象保存的所有元素都是整数值
集合对象保存的元素数量不超过512个

否则使用hashtable编码。

有序集合对象的编码转换

有序集合的编码可以是ziplist或skiplist。

ziplist编码的有序集合对象使用压缩列表作为底层实现，每个集合元素使用两个紧挨在一起的压缩列表结点保存，第一个结点保存元素的成员（member），第二个元素则保存元素的分值（score）。

压缩列表内的集合元素按分值从小到大进行排序，分值较小的元素靠近表头的方向，分值较大靠近表尾。

skiplist编码的有序集合对象使用zset结构作为底层实现，一个zset结构同时包含一个字典和一个跳跃表：

/*
 * 有序集合
 */
typedef struct zset 

    // 字典，键为成员，值为分值
    // 用于支持 O(1) 复杂度的按成员取分值操作
    dict *dict;

    // 跳跃表，按分值排序成员
    // 用于支持平均复杂度为 O(log N) 的按分值定位成员操作
    // 以及范围操作
    zskiplist *zsl;

 zset;

有序集合每个元素的成员都是一个字符串对象，而每个元素的分值都是一个double类型的浮点数。

虽然zset结构同时使用跳跃表和字典来保存有序集合元素，但这两种数据结构都会通过指针来共享相同元素的成员和分值，所以同时使用跳跃表和字典保存集合元素，不会产生重复成员和分值，不会因此浪费额外内存。

满足以下两个条件时，对象使用ziplist编码：