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Redis的基础数据结构是怎样的

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整数集合当一个集合只包含整数,且这个集合的元素不多的时候,Redis就会使用整数集合intset。首先看intset的数据结构:typedefstructintset{//编码方式uint32_tencoding;//集合包含的元素数量uint32_tlength;//保存元素的数组int8_tcontents[];}intset;其实intset的数据结构比较好理解。一个数据保存元素,length保存元素的数量,也就是contents的大小,encoding用于保存数据的编码方式。通过代码我们可以知道,

本文目录

    整数集合

    当一个集合只包含整数,且这个集合的元素不多的时候,Redis 就会使用整数集合 intset 。首先看 intset 的数据结构:

    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;

    其实 intset 的数据结构比较好理解。一个数据保存元素,length 保存元素的数量,也就是contents的大小,encoding 用于保存数据的编码方式。

    通过代码我们可以知道,encoding 的编码类型包括了:

    #define INTSET_ENC_INT16 (sizeof(int16_t))
    #define INTSET_ENC_INT32 (sizeof(int32_t))
    #define INTSET_ENC_INT64 (sizeof(int64_t))

    实际上我们可以看出来。 Redis encoding的类型,就是指数据的大小。作为一个内存数据库,采用这种设计就是为了节约内存。

    既然有从小到大的三个数据结构,在插入数据的时候尽可能使用小的数据结构来节约内存,如果插入的数据大于原有的数据结构,就会触发扩容。

    扩容有三个步骤:

    1. 根据新元素的类型,修改整个数组的数据类型,并重新分配空间

    2. 将原有的的数据,装换为新的数据类型,重新放到应该在的位置上,且保存顺序性

    3. 再插入新元素

    整数集合不支持降级操作,一旦升级就不能降级了。

    跳跃表

    跳跃表是链表的一种,是一种利用空间换时间的数据结构。跳表平均支持 O(logN),最坏O(N)复杂度的查找。

    跳表是由一个zskiplist 和 多个 zskiplistNode 组成。我们先看看他们的结构:

    /* ZSETs use a specialized version of Skiplists *//*
     * 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;
            
    /*
     * 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;

    所以根据这个代码我们可以画出如下的结构图:

    Redis的基础数据结构是怎样的

    其实跳表就是一个利用空间换时间的数据结构,利用 level 作为链表的索引。

    之前有人问过 Redis 的作者 为什么使用跳跃表,而不是 tree 来构建索引?作者的回答是:

    1. 省内存。

    2. 服务于 ZRANGE 或者 ZREVRANGE 是一个典型的链表场景。时间复杂度的表现和平衡树差不多。

    3. 最重要的一点是跳跃表的实现很简单就能达到 O(logN)的级别。

    压缩列表

    压缩链表 Redis 作者的介绍是,为了尽可能节约内存设计出来的双向链表。

    对于一个压缩列表代码里注释给出的数据结构如下:

    Redis的基础数据结构是怎样的

    zlbytes 表示的是整个压缩列表使用的内存字节数

    zltail 指定了压缩列表的尾节点的偏移量

    zllen 是压缩列表 entry 的数量

    entry 就是 ziplist 的节点

    zlend 标记压缩列表的末端

    这个列表中还有单个指针:

    ZIPLIST_ENTRY_HEAD 列表开始节点的头偏移量

    ZIPLIST_ENTRY_TAIL 列表结束节点的头偏移量

    ZIPLIST_ENTRY_END 列表的尾节点结束的偏移量

    再看看一个 entry 的结构:

    /*
     * 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;

    依次解释一下这几个参数。

    prevrawlen 前置节点的长度,这里多了一个 size,其实是记录了 prevrawlen 的尺寸。Redis 为了节约内存并不是直接使用默认的 int 的长度,而是逐渐升级的。
    同理 len 记录的是当前节点的长度,lensize 记录的是 len 的长度。
    headersize 就是前文提到的两个 size 之和。
    encoding 就是这个节点的数据类型。这里注意一下 encoding 的类型只包括整数和字符串。
    p 节点的指针,不用过多的解释。

    需要注意一点,因为每个节点都保存了前一个节点的长度,如果发生了更新或者删除节点,则这个节点之后的数据也需要修改,有一种最坏的情况就是如果每个节点都处于需要扩容的零界点,就会造成这个节点之后的节点都要修改 size 这个参数,引发连锁反应。这个时候就是 压缩链表最坏的时间复杂度 O(n^2)。不过所有节点都处于临界值,这样的概率可以说比较小。

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