《Redis设计与实现》[第一部分]数据结构与对象-C源码阅读

Posted 2020-07-16 zhongrui_fzr

一、简单动态字符串SDS

关键字：空间预分配，惰性空间释放，二进制安全

C字符串不易更改，所以Redis中把C字符串用在一些无须对字符串值进行修改的地方，作为字符串字面量（String literal），比如打印日志：
redisLog(REDIS_WARING, “Redis is now ready to exit, bye bye…”);

在Redis数据库中，包含字符串的键值对在底层都是由SDS实现的。

SDS还被用作缓冲区（buffer）：AOF模块中的AOF缓冲区，以及客户端状态中的输入缓冲区，都是SDS实现的。

源码

SDS结构的定义在sds.h中：

    /*
     * 保存字符串对象的结构
     */
    struct sdshdr {     
        // buf 中已占用空间的长度
        int len;
        // buf 中剩余可用空间的长度，即未使用空间
        int free;
        // 数据空间
        char buf[];
    };

获取一个SDS长度的复杂度为O(1)，由SDS的API在执行时自动设置和更新SDS长度，使用SDS无须进行任何手动修改长度的工作。

空间分配

SDS的空间分配策略是：当SDS API需要对SDS进行修改时，API会先检查SDS的空间是否满足修改所需的要求，若不满足，API会自动将SDS的空间扩展至执行修改所需的大小，然后才执行实际的修改操作，杜绝了发生缓冲区溢出的可能性。

通过未使用空间，SDS实现了空间预分配和惰性空间释放两种优化策略：

• 空间预分配

空间预分配用于减少连续执行字符串增长操作所需的内存分配次数。
通过这种预分配策略，SDS将连续增长N次字符串所需的内存重分配次数从必定N次降低为最多N次。
其中额外分配的未使用空间数量由以下公式决定：

1. 如果对SDS进行修改后，SDS的长度（即len属性的值）小于1MB，就分配和len属性同样大小的未使用空间，即len属性的值和free属性的值相同   
2. 如果对SDS进行修改之后，SDS的长度大于等于1MB，就分配1MB的未使用空间。  

• 惰性空间释放

惰性空间释放用于优化SDS字符串缩短操作的内存重分配操作：当SDS的API需要缩短SDS保存的字符串时，程序并不立即使用内存重分配来回收缩短后多出来的字节，而是使用free属性将这些字节的数量记录起来，并等待将来使用。

SDS的API都是二进制安全的（binary-safe），所有SDS API都会以二进制的方式处理SDS存放在buf数组里的数据，程序不会对其中的数据做任何限制、过滤、或者假设，数据在写入时是什么样的，被读取时就是什么样。

Redis用SDS的buf数组保存二进制数据而不是字符。

SDS可以兼容部分C字符串函数。

二、链表

关键字：多态

当一个列表键包含了数量比较多的元素，或是列表中包含的元素都是比较长的字符串时，Redis就会使用链表作为列表键的底层实现。

integers列表键的底层实现就是一个链表，链表中的每个结点都保存了一个整数值。

除了链表之外，发布与订阅、慢查询、监视器等功能也用到了链表，Redis服务器本身还使用链表保存多个客户端的状态信息，以及使用链表来构建客户端输出缓冲区（output buffer）。

源码

链表结构的定义在adlist.h中：

    /*
     - 双端链表节点
     */
    typedef struct listNode {
        // 前置节点
        struct listNode *prev;
        // 后置节点
        struct listNode *next;
        // 节点的值
        void *value;
    } listNode;
    /*
     *双端链表迭代器
     */
    typedef struct listIter {
        // 当前迭代到的节点
        listNode *next;
        // 迭代的方向
        int direction;
    } listIter;
    /*
     - 双端链表结构
     */
    typedef struct list {
        // 表头节点
        listNode *head;
        // 表尾节点
        listNode *tail;
        // 节点值复制函数
        void *(*dup)(void *ptr);
        // 节点值释放函数
        void (*free)(void *ptr);
        // 节点值对比函数
        int (*match)(void *ptr, void *key);
        // 链表所包含的节点数量
        unsigned long len;
    } list;  

list结构为链表提供了表头指针head、表尾指针tail，以及链表长度计数器len，dup、free和match成员则是用于实现多态链表所需的类型特定函数：

• dup函数用于复制链表结点所保存的值
• free函数用于释放链表结点所保存的值；
• match函数则用于对比链表结点所保存的值和另一个输入值是否相等。

Redis的链表实现的特性如下：

• 双端、无环、带表头指针和表尾指针、带链表长度计数器、多态

三、字典

关键字：多态，渐进式rehash，murmurhash2

Redis的数据库就是使用字典来作为底层实现的，对数据库的增、删、改、查也是构建在对字典的操作之上的。

字典还是哈希键的底层实现之一，当一个哈希键包含的键值对比较多，或是键值对中的元素都是比较长的字符串时，Redis就使用字典作为哈希键的底层实现。

Redis的字典使用哈希表作为底层实现，一个哈希表里可以有多个哈希表结点，每个哈希表结点就保存了字典中的一个键值对。

源码

字典所使用的哈希表在dict.h中定义：

    /*
     * 哈希表
     * 每个字典都使用两个哈希表，从而实现渐进式 rehash 。
     */
    typedef struct dictht {    
        // 哈希表数组，数组中的每个元素都是一个指向dictEntry结构的指针
        dictEntry **table;
        // 哈希表大小
        unsigned long size;      
        // 哈希表大小掩码，用于计算索引值
        // 总是等于 size - 1
        unsigned long sizemask;
        // 该哈希表已有节点的数量
        unsigned long used;

    } dictht;

• table属性是一个数组，数组中的每个元素都是一个指向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，即是table数组的大小。
• used属性则记录了哈希表目前已有结点（键值对的数量）
• sizemask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

    /*
     * 哈希表节点
     */
    typedef struct dictEntry {      
        // 键
        void *key;
        // 值
        union {
            void *val;
            uint64_t u64;
            int64_t s64;
        } v;
        // 指向下个哈希表节点，形成链表
        struct dictEntry *next;

    } dictEntry;

• key属性保存着键值对中的键
• v属性保存键值对中的值，其中键值对中的值可以是一个指针，或是一个uint64_t整数，或是一个int64_t整数
• next属性指向另一个哈希表结点的指针，使用链地址法解决键冲突问题。

    /*
     * 字典
     */
    typedef struct dict {
        // 类型特定函数
        dictType *type;

        // 私有数据
        void *privdata;

        // 哈希表
        dictht ht[2];

        // rehash 索引
        // 当 rehash 不在进行时，值为 -1
        int rehashidx; /* rehashing not in progress if rehashidx == -1 */

        // 目前正在运行的安全迭代器的数量
        int iterators; /* number of iterators currently running */

    } 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结构保存了一簇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。
• privdata属性保存了需要传给那些类型特定函数的可选参数。

/*
 * 字典类型特定函数
 */
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 *(*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;

• 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，字典只使用ht[0]哈希表，ht[1]哈希表只会在对ht[0]哈希表进行rehash时使用。
• rehashidx属性记录了rehash目前的进度，如果目前没有在进行rehash，那么它的值为-1.

    /*
     * 字典迭代器
     *
     - 如果 safe 属性的值为 1 ，那么在迭代进行的过程中，
     - 程序仍然可以执行 dictAdd 、 dictFind 和其他函数，对字典进行修改。
     *
     - 如果 safe 不为 1 ，那么程序只会调用 dictNext 对字典进行迭代，
     - 而不对字典进行修改。
     */
    typedef struct dictIterator {            
        // 被迭代的字典
        dict *d;

        // table ：正在被迭代的哈希表号码，值可以是 0 或 1 。
        // index ：迭代器当前所指向的哈希表索引位置。
        // safe ：标识这个迭代器是否安全
        int table, index, safe;

        // entry ：当前迭代到的节点的指针
        // nextEntry ：当前迭代节点的下一个节点
        //             因为在安全迭代器运作时， entry 所指向的节点可能会被修改，
        //             所以需要一个额外的指针来保存下一节点的位置，
        //             从而防止指针丢失
        dictEntry *entry, *nextEntry;

        long long fingerprint; /* unsafe iterator fingerprint for misuse detection */
    } dictIterator;

哈希

Redis计算哈希值和索引值的方法如下：

    // 使用字典设置的哈希函数，计算键key的哈希值
    hash = dict->type->hashFunction(key);

    // 使用哈希表的sizemask属性和哈希值，计算出索引值
    // 根据情况不同，ht[x]可以是ht[0]或ht[1]
    index = hash & dict->ht[x].sizemask;

/* ------------------------- hash functions ------------------------------ */

/* Thomas Wang‘s 32 bit Mix Function */
unsigned int dictIntHashFunction(unsigned int key)
{
    key += ~(key << 15);
    key ^=  (key >> 10);
    key +=  (key << 3);
    key ^=  (key >> 6);
    key += ~(key << 11);
    key ^=  (key >> 16);
    return key;
}

/* Identity hash function for integer keys */
unsigned int dictIdentityHashFunction(unsigned int key)
{
    return key;
}

static uint32_t dict_hash_function_seed = 5381;

void dictSetHashFunctionSeed(uint32_t seed) {
    dict_hash_function_seed = seed;
}

uint32_t dictGetHashFunctionSeed(void) {
    return dict_hash_function_seed;
}

/* MurmurHash2, by Austin Appleby
 * Note - This code makes a few assumptions about how your machine behaves -
 * 1. We can read a 4-byte value from any address without crashing
 * 2. sizeof(int) == 4
 *
 * And it has a few limitations -
 *
 * 1. It will not work incrementally.
 * 2. It will not produce the same results on little-endian and big-endian
 *    machines.
 */
unsigned int dictGenHashFunction(const void *key, int len) {
    /* ‘m‘ and ‘r‘ are mixing constants generated offline.
     They‘re not really ‘magic‘, they just happen to work well.  */
    uint32_t seed = dict_hash_function_seed;
    const uint32_t m = 0x5bd1e995;
    const int r = 24;

    /* Initialize the hash to a ‘random‘ value */
    uint32_t h = seed ^ len;

    /* Mix 4 bytes at a time into the hash */
    const unsigned char *data = (const unsigned char *)key;

    while(len >= 4) {
        uint32_t k = *(uint32_t*)data;

        k *= m;
        k ^= k >> r;
        k *= m;

        h *= m;
        h ^= k;

        data += 4;
        len -= 4;
    }

    /* Handle the last few bytes of the input array  */
    switch(len) {
    case 3: h ^= data[2] << 16;
    case 2: h ^= data[1] << 8;
    case 1: h ^= data[0]; h *= m;
    };

    /* Do a few final mixes of the hash to ensure the last few
     * bytes are well-incorporated. */
    h ^= h >> 13;
    h *= m;
    h ^= h >> 15;

    return (unsigned int)h;
}

/* And a case insensitive hash function (based on djb hash) */
unsigned int dictGenCaseHashFunction(const unsigned char *buf, int len) {
    unsigned int hash = (unsigned int)dict_hash_function_seed;

    while (len--)
        hash = ((hash << 5) + hash) + (tolower(*buf++)); /* hash * 33 + c */
    return hash;
}

当字典被用作数据库的底层实现，或是哈希键的底层实现时，Redis使用MurmurHash2算法计算键的哈希值:

• 该算法的优点在于，即使输入的键是有规律的，算法仍能给出一个很好的随机分布性，并且算法的计算速度也非常快。

为了让哈希表的负载因子（load factor）维持在一个合理的范围之内，当哈希表保存的键值对数量太多或太少时，程序需要对哈希表的大小进行相应的扩展或收缩。

• 哈希表的负载因子计算公式：load_factor = ht[0].used/ht[0].size

rehash

扩展和收缩哈希表的工作可以通过执行rehash（重新散列）操作来完成，Redis对字典的哈希表执行rehash的步骤如下：

• 为字典的ht[1]哈希表分配空间，这个哈希表的空间大小取决于要执行的操作，以及ht[0]当前包含的键值对数量（即ht[0].used属性的值）

  1. 如果执行的是扩展操作，那么ht[1]的大小为第一个大于等于ht[0].used*2的2^n（2的n次方幂）；
  2. 如果执行的是收缩操作，那么ht[1]的大小为第一个大于等于ht[0].used的2^n。

• 将保存在ht[0]中的所有键值对rehash到ht[1]上面：rehash指的是重新计算键的哈希值和索引值，然后将键值对放置到ht[1]哈希表的指定位置上。

• 当ht[0]包含的所有键值对都迁移到ht[1]之后（ht[0]变为空表），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。

当以下条件中的任意一个被满足时，程序会自动开始对哈希表执行扩展操作：

• 服务器目前没有在执行BGSAVE命令或BGREWRITEAOF命令，并且哈希表的负载因子大于等于1
• 服务器目前正在执行BGSAVE命令或BGREWRITEAOF命令，并且哈希表的负载因子大于等于5

在执行BGSAVE命令或BGREWRITEAOF命令的过程中，Redis需要创建当前服务器进程的子进程，而大多数操作系统都采用写时复制（copy-on-write）技术来优化子进程的使用效率，所以在子进程存在期间，服务器会提高执行扩展操作所需的负载因子，从而尽可能地避免在子进程存在期间进行哈希表扩展操作，这避免了不必要的内存写入操作，最大限度地节约内存。

当哈希表的负载因子小于0.1时，程序自动开始对哈希表执行收缩操作。

渐进式rehash

为了避免rehash对服务器性能造成影响，服务器不是一次性将ht[0]里面的所有键值对全部rehash到ht[1]，而是分多次、渐进式地将ht[0]里面的键值对慢慢rehash到ht[1]。

以下是哈希表渐进式rehash的详细步骤：

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. 在字典中维持一个索引计数器变量rehashidx，值设置为0，表示rehash工作正式开始

3. 在rehash进行期间，每次对字典执行添加、删除、查找或者更新操作时，程序除了执行指定的操作以为，还会顺带将ht[0]哈希表在rehashidx索引上的所有键值对rehash到ht[1]，当rehash工作完成之后，程序将rehashidx属性的值增一。

4. 随着字典操作的不断执行，最终在某个时间点上，ht[0]的所有键值对都会被rehash到ht[1]上，这是程序将rehashidx属性的值设为-1，表示rehash操作已完成

渐进式rehash采取分而治之的方式，将rehash键值对所需的计算工作均摊到对字典的每个添加、删除、查找和更新操作上，从而避免了集中式rehash而带来的庞大计算量。

在进行渐进式rehash的过程中，字典会同时使用ht[0]和ht[1]两个哈希表，所以在渐进式rehash进行期间，字典的删除、查找、更新会在两个哈希表上进行，比如现在ht[0]中查找，没找到再去ht[1]查找

在渐进式rehash执行期间，新添加到字典的键值对一律会被保存到ht[1]里面，而ht[0]则不再进行任何添加操作，这样保证了ht[0]包含的键值对数量只减不增，随着rehash操作的执行最终变成空表。