Redis中五大數據結構的底層實現
一、概述
Redis是一個開源的使用ANSI C語言編寫、遵守BSD協議、支持網絡、可基于內存亦可持久化的日志型、Key-Value數據庫，與Memcached類似，卻優于Memcached的一個高性能的key-value數據庫。下面讓我們來詳細介紹一下redis中五大數據結構的底層實現。
二、簡單動態字符串
1、概述
Redis是一個開源的使用ANSI C語言編寫的key-value 數據庫，我們可能會較為主觀的認為 Redis 中的字符串就是采用了C語言中的傳統字符串表示，但其實不然，Redis沒有直接使用C語言傳統的字符串表示，而是自己構建了一種名為簡單動態字符串（simple dynamic string SDS）的抽象類型，并將SDS用作Redis的默認字符串表示：redis>SET msg "hello world"
SDS 定義：
- struct sdshdr{
- //記錄buf數組中已使用字節的數量
- //等于 SDS 保存字符串的長度
- int len;
- //記錄 buf 數組中未使用字節的數量
- int free;
- //字節數組，用于保存字符串
- char buf[];
- }
圖片來源：《Redis設計與實現》
我們看上面對于 SDS 數據類型的定義：
- len 保存了SDS保存字符串的長度
- buf[] 數組用來保存字符串的每個元素
- free j記錄了 buf 數組中未使用的字節數量
2、與C語言相比較
一般來說，SDS 除了保存數據庫中的字符串值以外，SDS 還可以作為緩沖區（buffer）：包括 AOF 模塊中的AOF緩沖區以及客戶端狀態中的輸入緩沖區。后面在介紹Redis的持久化時會進行介紹。
三、鏈表
1、概述
鏈表提供了高效的節點重排能力，以及順序性的節點訪問方式，并且可以通過增刪節點來靈活地調整鏈表的長度。
鏈表在Redis 中的應用非常廣泛，比如列表鍵的底層實現之一就是鏈表。當一個列表鍵包含了數量較多的元素，又或者列表中包含的元素都是比較長的字符串時，Redis 就會使用鏈表作為列表鍵的底層實現。
每個鏈表節點使用一個listNode結構表示（adlist.h/listNode）：
- typedef struct listNode{
- //前置節點
- struct listNode *prev;
- //后置節點
- struct listNode *next;
- //節點的值
- void *value;
- }listNode
鏈表的數據結構：
- typedef struct list{
- //表頭節點
- listNode *head;
- //表尾節點
- listNode *tail;
- //鏈表所包含的節點數量
- unsigned long len;
- //節點值復制函數
- void (*free) (void *ptr);
- //節點值釋放函數
- void (*free) (void *ptr);
- //節點值對比函數
- int (*match) (void *ptr,void *key);
- }list;
組成結構圖
2、Redis鏈表特性
- 雙端：鏈表具有前置節點和后置節點的引用，獲取這兩個節點時間復雜度都為O(1)。
- 無環：表頭節點的 prev 指針和表尾節點的 next 指針都指向 NULL,對鏈表的訪問都是以 NULL 結束。
- 帶鏈表長度計數器：通過 len 屬性獲取鏈表長度的時間復雜度為 O(1)。
- 多態：鏈表節點使用 void* 指針來保存節點值，可以保存各種不同類型的值。
四、字典
1、概述
字典又稱為符號表或者關聯數組、或映射（map），是一種用于保存鍵值對的抽象數據結構。字典中的每一個鍵 key 都是唯一的，通過 key 可以對值來進行查找或修改。C 語言中沒有內置這種數據結構的實現，所以字典依然是 Redis自己構建的。
哈希表結構定義：
- typedef struct dictht{
- //哈希表數組
- dictEntry **table;
- //哈希表大小
- unsigned long size;
- //哈希表大小掩碼，用于計算索引值
- //總是等于 size-1
- unsigned long sizemask;
- //該哈希表已有節點的數量
- unsigned long used;
- }dictht
哈希表是由數組 table 組成，table 中每個元素都是指向 dict.h/dictEntry 結構，dictEntry 結構定義如下：
- typedef struct dictEntry{
- //鍵
- void *key;
- //值
- union{
- void *val;
- uint64_tu64;
- int64_ts64;
- }v;
- //指向下一個哈希表節點，形成鏈表
- struct dictEntry *next;
- }dictEntry
key 用來保存鍵，val 屬性用來保存值，值可以是一個指針，也可以是uint64_t整數，也可以是int64_t整數。
注意這里還有一個指向下一個哈希表節點的指針，我們知道哈希表最大的問題是存在哈希沖突，如何解決哈希沖突，有開放地址法和鏈地址法。這里采用的便是鏈地址法，通過next這個指針可以將多個哈希值相同的鍵值對連接在一起，用來解決哈希沖突。
五、跳躍表
1、概述
跳躍表（skiplist）是一種有序數據結構，它通過在每個節點中維持多個指向其他節點的指針，從而達到快速訪問節點的目的。跳躍表是一種隨機化的數據,跳躍表以有序的方式在層次化的鏈表中保存元素，效率和平衡樹媲美 ——查找、刪除、添加等操作都可以在對數期望時間下完成，并且比起平衡樹來說，跳躍表的實現要簡單直觀得多。
Redis 只在兩個地方用到了跳躍表，一個是實現有序集合鍵，另外一個是在集群節點中用作內部數據結構。
Redis中跳躍表節點定義如下：
- typedef struct zskiplistNode {
- //層
- struct zskiplistLevel{
- //前進指針
- struct zskiplistNode *forward;
- //跨度
- unsigned int span;
- }level[];
- //后退指針
- struct zskiplistNode *backward;
- //分值
- double score;
- //成員對象
- robj *obj;
- } zskiplistNode
多個跳躍表節點構成一個跳躍表：
- typedef struct zskiplist{
- //表頭節點和表尾節點
- structz skiplistNode *header, *tail;
- //表中節點的數量
- unsigned long length;
- //表中層數最大的節點的層數
- int level;
- }zskiplist;
- header和tail指針分別指向跳躍表的表頭和表尾節點；
- length屬性記錄節點的數量；
- level屬性記錄層數最高的幾點的層數量；
- 下圖分別展示了完整的跳躍表和單個節點的詳細結構圖：
2、特性
跳表具有如下性質：
- 由很多層結構組成
- 每一層都是一個有序的鏈表
- 最底層(Level 1)的鏈表包含所有元素
- 如果一個元素出現在 Level i 的鏈表中，則它在 Level i 之下的鏈表也都會出現。
- 每個節點包含兩個指針，一個指向同一鏈表中的下一個元素，一個指向下面一層的元素。
六、整數集合
1、概述
《Redis 設計與實現》 中這樣定義整數集合：“整數集合是集合建的底層實現之一，當一個集合中只包含整數，且這個集合中的元素數量不多時，redis就會使用整數集合intset作為集合的底層實現。”
我們可以這樣理解整數集合，他其實就是一個特殊的集合，里面存儲的數據只能夠是整數，并且數據量不能過大。
- typedef struct intset{
- //編碼方式
- uint32_t encoding;
- //集合包含的元素數量
- uint32_t length;
- //保存元素的數組
- int8_t contents[];
- }intset;
我們觀察一下一個完成的整數集合結構圖：
- encoding：用于定義整數集合的編碼方式
- length：用于記錄整數集合中變量的數量
- contents：用于保存元素的數組，雖然我們在數據結構圖中看到，intset將數組定義為int8_t，但實際上數組保存的元素類型取決于encoding
2、特性
- 整數集合是集合建的底層實現之一
- 整數集合的底層實現為數組，這個數組以有序，無重復的范式保存集合元素，在有需要時，程序會根據新添加的元素類型改變這個數組的類型
- 升級操作為整數集合帶來了操作上的靈活性，并且盡可能地節約了內存2
整數集合只支持升級操作，不支持降級操作
七、壓縮列表
1、概述
壓縮列表是列表鍵和哈希鍵的底層實現之一。當一個列表鍵只包含少量列表項，并且每個列表項要么就是小整數，要么就是長度比較短的字符串，那么Redis 就會使用壓縮列表來做列表鍵的底層實現。
一個壓縮列表的組成如下：
- zlbytes:用于記錄整個壓縮列表占用的內存字節數
- zltail：記錄要列表尾節點距離壓縮列表的起始地址有多少字節
- zllen：記錄了壓縮列表包含的節點數量
- entryX：要說列表包含的各個節點
- zlend：用于標記壓縮列表的末端
2、特性
- 壓縮列表是一種為了節約內存而開發的順序型數據結構
- 壓縮列表被用作列表鍵和哈希鍵的底層實現之一
- 壓縮列表可以包含多個節點，每個節點可以保存一個字節數組或者整數值
- 添加新節點到壓縮列表，可能會引發連鎖更新操作。
