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Redis中五大数据结构的底层实现

下面让我们来详细介绍一下redis中五大数据结构的底层实现。让我们一起来看看吧。

作者:田兆壮来源:DBAplus社群|2020-03-20 10:47

一、概述

Redis是一个开源的使用ANSI C语言编写、遵守BSD协议、支持网络、可基于内存亦可持久化的日志型、Key-Value数据库,与Memcached类似,却优于Memcached的一个高性能的key-value数据库。下面让我们来详细介绍一下redis中五大数据结构的底层实现。

二、简单动态字符串

1、概述

Redis是一个开源的使用ANSI C语言编写的key-value 数据库,我们可能会较为主观的认为 Redis 中的字符串就是采用了C语言中的传统字符串表示,但其实不然,Redis没有直接使用C语言传统的字符串表示,而是自己构建了一种名为简单动态字符串(simple dynamic string SDS)的抽象类型,并将SDS用作Redis的默认字符串表示:redis>SET msg "hello world"

SDS 定义:

  1. struct sdshdr{  
  2.      //记录buf数组中已使用字节的数量  
  3.      //等于 SDS 保存字符串的长度  
  4.      int len;  
  5.      //记录 buf 数组中未使用字节的数量  
  6.      int free;  
  7.      //字节数组,用于保存字符串  
  8.      char buf[];  

图片来源:《Redis设计与实现》

我们看上面对于 SDS 数据类型的定义:

  •  len 保存了SDS保存字符串的长度
  •  buf[] 数组用来保存字符串的每个元素
  •  free j记录了 buf 数组中未使用的字节数量

2、与C语言相比较 

一般来说,SDS 除了保存数据库中的字符串值以外,SDS 还可以作为缓冲区(buffer):包括 AOF 模块中的AOF缓冲区以及客户端状态中的输入缓冲区。后面在介绍Redis的持久化时会进行介绍。

三、链表

1、概述

链表提供了高效的节点重排能力,以及顺序性的节点访问方式,并且可以通过增删节点来灵活地调整链表的长度。

链表在Redis 中的应用非常广泛,比如列表键的底层实现之一就是链表。当一个列表键包含了数量较多的元素,又或者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。

每个链表节点使用一个listNode结构表示(adlist.h/listNode):

  1. typedef  struct listNode{  
  2.        //前置节点  
  3.        struct listNode *prev;  
  4.        //后置节点  
  5.        struct listNode *next;  
  6.        //节点的值  
  7.        void *value;    
  8. }listNode 

链表的数据结构:

  1. typedef struct list{  
  2.       //表头节点  
  3.      listNode *head;  
  4.      //表尾节点  
  5.      listNode *tail;  
  6.      //链表所包含的节点数量  
  7.      unsigned long len;  
  8.      //节点值复制函数  
  9.      void (*free) (void *ptr);  
  10.      //节点值释放函数  
  11.      void (*free) (void *ptr);  
  12.      //节点值对比函数  
  13.      int (*match) (void *ptr,void *key);  
  14. }list; 

组成结构图

2、Redis链表特性

  •  双端:链表具有前置节点和后置节点的引用,获取这两个节点时间复杂度都为O(1)。
  •  无环:表头节点的 prev 指针和表尾节点的 next 指针都指向 NULL,对链表的访问都是以 NULL 结束。 
  •  带链表长度计数器:通过 len 属性获取链表长度的时间复杂度为 O(1)。
  •  多态:链表节点使用 void* 指针来保存节点值,可以保存各种不同类型的值。

四、字典

1、概述

字典又称为符号表或者关联数组、或映射(map),是一种用于保存键值对的抽象数据结构。字典中的每一个键 key 都是唯一的,通过 key 可以对值来进行查找或修改。C 语言中没有内置这种数据结构的实现,所以字典依然是 Redis自己构建的。

哈希表结构定义:

  1. typedef struct dictht{  
  2.      //哈希表数组  
  3.      dictEntry **table;  
  4.      //哈希表大小  
  5.      unsigned long size;  
  6.      //哈希表大小掩码,用于计算索引值  
  7.      //总是等于 size-1  
  8.      unsigned long sizemask;  
  9.      //该哈希表已有节点的数量  
  10.      unsigned long used;  
  11. }dictht 

哈希表是由数组 table 组成,table 中每个元素都是指向 dict.h/dictEntry 结构,dictEntry 结构定义如下:

  1. typedef struct dictEntry{  
  2.      //键  
  3.      void *key;  
  4.      //值  
  5.      union{  
  6.           void *val;  
  7.           uint64_tu64;  
  8.           int64_ts64;  
  9.      }v;  
  10.      //指向下一个哈希表节点,形成链表  
  11.      struct dictEntry *next; 
  12. }dictEntry 

key 用来保存键,val 属性用来保存值,值可以是一个指针,也可以是uint64_t整数,也可以是int64_t整数。

注意这里还有一个指向下一个哈希表节点的指针,我们知道哈希表最大的问题是存在哈希冲突,如何解决哈希冲突,有开放地址法和链地址法。这里采用的便是链地址法,通过next这个指针可以将多个哈希值相同的键值对连接在一起,用来解决哈希冲突。

五、跳跃表

1、概述

跳跃表(skiplist)是一种有序数据结构,它通过在每个节点中维持多个指向其他节点的指针,从而达到快速访问节点的目的。跳跃表是一种随机化的数据,跳跃表以有序的方式在层次化的链表中保存元素,效率和平衡树媲美 ——查找、删除、添加等操作都可以在对数期望时间下完成,并且比起平衡树来说,跳跃表的实现要简单直观得多。

Redis 只在两个地方用到了跳跃表,一个是实现有序集合键,另外一个是在集群节点中用作内部数据结构。

Redis中跳跃表节点定义如下:

  1. typedef struct zskiplistNode {  
  2.      //层  
  3.      struct zskiplistLevel{  
  4.            //前进指针  
  5.            struct zskiplistNode *forward;  
  6.            //跨度  
  7.            unsigned int span;  
  8.      }level[];  
  9.      //后退指针  
  10.      struct zskiplistNode *backward;  
  11.      //分值  
  12.      double score;  
  13.      //成员对象  
  14.      robj *obj;  
  15. } zskiplistNode 

多个跳跃表节点构成一个跳跃表:

  1. typedef struct zskiplist{  
  2.      //表头节点和表尾节点  
  3.      structz skiplistNode *header, *tail;  
  4.      //表中节点的数量  
  5.      unsigned long length;  
  6.      //表中层数最大的节点的层数  
  7.      int level;  
  8. }zskiplist; 
  •  header和tail指针分别指向跳跃表的表头和表尾节点;
  •  length属性记录节点的数量;
  •  level属性记录层数最高的几点的层数量;
  •  下图分别展示了完整的跳跃表和单个节点的详细结构图:

2、特性

跳表具有如下性质:

  •  由很多层结构组成
  •  每一层都是一个有序的链表
  •  最底层(Level 1)的链表包含所有元素
  •  如果一个元素出现在 Level i 的链表中,则它在 Level i 之下的链表也都会出现。
  •  每个节点包含两个指针,一个指向同一链表中的下一个元素,一个指向下面一层的元素。

六、整数集合

1、概述

《Redis 设计与实现》 中这样定义整数集合:“整数集合是集合建的底层实现之一,当一个集合中只包含整数,且这个集合中的元素数量不多时,redis就会使用整数集合intset作为集合的底层实现。”

我们可以这样理解整数集合,他其实就是一个特殊的集合,里面存储的数据只能够是整数,并且数据量不能过大。

  1. typedef struct intset{  
  2.      //编码方式  
  3.      uint32_t encoding;  
  4.      //集合包含的元素数量  
  5.      uint32_t length;  
  6.      //保存元素的数组  
  7.      int8_t contents[];  
  8. }intset; 

我们观察一下一个完成的整数集合结构图: 

  • encoding:用于定义整数集合的编码方式
  • length:用于记录整数集合中变量的数量
  • contents:用于保存元素的数组,虽然我们在数据结构图中看到,intset将数组定义为int8_t,但实际上数组保存的元素类型取决于encoding

2、特性

  •  整数集合是集合建的底层实现之一
  •  整数集合的底层实现为数组,这个数组以有序,无重复的范式保存集合元素,在有需要时,程序会根据新添加的元素类型改变这个数组的类型
  •  升级操作为整数集合带来了操作上的灵活性,并且尽可能地节约了内存2

  整数集合只支持升级操作,不支持降级操作

七、压缩列表

1、概述

压缩列表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,并且每个列表项要么就是小整数,要么就是长度比较短的字符串,那么Redis 就会使用压缩列表来做列表键的底层实现。

一个压缩列表的组成如下:

  •  zlbytes:用于记录整个压缩列表占用的内存字节数
  •  zltail:记录要列表尾节点距离压缩列表的起始地址有多少字节
  •  zllen:记录了压缩列表包含的节点数量
  •  entryX:要说列表包含的各个节点
  •  zlend:用于标记压缩列表的末端

2、特性

  •  压缩列表是一种为了节约内存而开发的顺序型数据结构
  •  压缩列表被用作列表键和哈希键的底层实现之一
  •  压缩列表可以包含多个节点,每个节点可以保存一个字节数组或者整数值
  •  添加新节点到压缩列表,可能会引发连锁更新操作。 

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【责任编辑:庞桂玉 TEL:(010)68476606】

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