Redis 实战之压缩列表

Redis 实战 - 压缩列表

• 压缩列表的构成
• 压缩列表节点的构成
• • • previous_entry_length
    • encoding
    • content
• 连锁更新
• 总结

压缩列表的构成

压缩列表是 Redis 为了节约内存而开发的， 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节点（entry）， 每个节点可以保存一个字节数组或者一个整数值。

图7-2 展示了一个压缩列表示例：

列表 zlbytes 属性的值为 0x50 （十进制 80）， 表示压缩列表的总长为 80 字节。

列表 zltail 属性的值为 0x3c （十进制 60）， 这表示如果我们有一个指向压缩列表起始地址的指针 p ， 那么只要用指针 p 加上偏移量 60 ， 就可以计算出表尾节点 entry3 的地址。

列表 zllen 属性的值为 0x3 （十进制 3）， 表示压缩列表包含三个节点。

图7-3 展示了另一个压缩列表示例：

列表 zlbytes 属性的值为 0xd2 （十进制 210）， 表示压缩列表的总长为 210 字节。

列表 zltail 属性的值为 0xb3 （十进制 179）， 这表示如果我们有一个指向压缩列表起始地址的指针 p ， 那么只要用指针 p 加上偏移量 179 ， 就可以计算出表尾节点 entry5 的地址。

列表 zllen 属性的值为 0x5 （十进制 5）， 表示压缩列表包含五个节点。

压缩列表节点的构成

每个压缩列表节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：

1、 长度小于等于63（2的6次方-1）字节的字节数组；

2、 长度小于等于16383（2的14次方-1）字节的字节数组；

3、 长度小于等于4294967295（2的32次方-1）字节的字节数组；

而整数值则可以是以下六种长度的其中一种：

1、 4位长，介于0至12之间的无符号整数；

2、 1字节长的有符号整数；

3、 3字节长的有符号整数；

4、 int16_t类型整数；

5、 int32_t类型整数；

6、 int64_t类型整数；

每个压缩列表节点都由 previous_entry_length 、 encoding 、 content 三个部分组成

previous_entry_length

节点的previous_entry_length 属性以字节为单位， 记录了压缩列表中前一个节点的长度。

previous_entry_length 属性的长度可以是 1 字节或者 5 字节：

如果前一节点的长度小于 254 字节， 那么 previous_entry_length 属性的长度为 1 字节： 前一节点的长度就保存在这一个字节里面。
如果前一节点的长度大于等于 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（十进制值 254）， 而之后的四个字节则用于保存前一节点的长度。

一个从表尾节点向表头节点进行遍历的完整过程：

首先，我们拥有指向压缩列表表尾节点 entry4 起始地址的指针 p1 （指向表尾节点的指针可以通过指向压缩列表起始地址的指针加上zltail 属性的值得出）；
通过用 p1 减去 entry4 节点 previous_entry_length 属性的值， 我们得到一个指向 entry4 前一节点 entry3 起始地址的指针 p2 ；
通过用 p2 减去 entry3 节点 previous_entry_length 属性的值， 我们得到一个指向 entry3 前一节点 entry2 起始地址的指针 p3 ；
通过用 p3 减去 entry2 节点 previous_entry_length 属性的值， 我们得到一个指向 entry2 前一节点 entry1 起始地址的指针 p4 ， entry1为压缩列表的表头节点；
最终， 我们从表尾节点向表头节点遍历了整个列表。

encoding

节点的encoding 属性记录了节点的 content 属性所保存数据的类型以及长度：

一字节、两字节或者五字节长， 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除去最高两位之后的其他位记录；

整数编码：

字节数组编码：

content

节点的content 属性负责保存节点的值， 节点值可以是一个字节数组或者整数， 值的类型和长度由节点的 encoding 属性决定。

连锁更新

前面说过， 每个节点的 previous_entry_length 属性都记录了前一个节点的长度：

如果前一节点的长度小于 254 字节， 那么 previous_entry_length 属性需要用 1 字节长的空间来保存这个长度值。
如果前一节点的长度大于等于 254 字节， 那么 previous_entry_length 属性需要用 5 字节长的空间来保存这个长度值。

现在，考虑这样一种情况： 在一个压缩列表中， 有多个连续的、长度介于 250 字节到 253 字节之间的节点 e1 至 eN

因为e1 至 eN 的所有节点的长度都小于 254 字节， 所以记录这些节点的长度只需要 1 字节长的 previous_entry_length 属性， 换句话说，e1 至 eN 的所有节点的 previous_entry_length 属性都是 1 字节长的。

这时，如果我们将一个长度大于等于 254 字节的新节点 new 设置为压缩列表的表头节点， 那么 new 将成为 e1 的前置节点，因为e1 的 previous_entry_length 属性仅长 1 字节， 它没办法保存新节点 new 的长度， 所以程序将对压缩列表执行空间重分配操作， 并将e1 节点的 previous_entry_length 属性从原来的 1 字节长扩展为 5 字节长。

现在，麻烦的事情来了 ------ e1 原本的长度介于 250 字节至 253 字节之间， 在为 previous_entry_length 属性新增四个字节的空间之后， e1的长度就变成了介于 254 字节至 257 字节之间， 而这种长度使用 1 字节长的 previous_entry_length 属性是没办法保存的。

因此，为了让 e2 的 previous_entry_length 属性可以记录下 e1 的长度， 程序需要再次对压缩列表执行空间重分配操作， 并将 e2 节点的previous_entry_length 属性从原来的 1 字节长扩展为 5 字节长。

正如扩展 e1 引发了对 e2 的扩展一样， 扩展 e2 也会引发对 e3 的扩展， 而扩展 e3 又会引发对 e4 的扩展......为了让每个节点的previous_entry_length 属性都符合压缩列表对节点的要求， 程序需要不断地对压缩列表执行空间重分配操作， 直到 eN 为止。Redis 将这种在特殊情况下产生的连续多次空间扩展操作称之为"连锁更新"（cascade update）。

除了添加新节点可能会引发连锁更新之外， 删除节点也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的2次方)。

要注意的是， 尽管连锁更新的复杂度较高， 但它真正造成性能问题的几率是很低的：

首先， 压缩列表里要恰好有多个连续的、长度介于 250 字节至 253 字节之间的节点， 连锁更新才有可能被引发， 在实际中， 这种情况并不多见；
其次， 即使出现连锁更新， 但只要被更新的节点数量不多， 就不会对性能造成任何影响： 比如说， 对三五个节点进行连锁更新是绝对不会影响性能的；

因为以上原因， ziplistPush 等命令的平均复杂度仅为 O(N)， 在实际中， 我们可以放心地使用这些函数， 而不必担心连锁更新会影响压缩列表的性能。

总结

压缩列表是一种为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， 或者从压缩列表中删除节点， 可能会引发连锁更新操作， 但这种操作出现的几率并不高。