Redis底层数据结构(详细篇)

Redis底层数据结构

一、常见数据结构的底层数据结构

1、动态字符串SDS(Simple Dynamic String)

组成

字符数组存储数据,头部存储字符数量,预分配内存,SDS类型(5个字节已被弃用)。

问题来了:为什么要这样设计呢?为什么不用c语言的字符串呢?
回答

  • 1、保证二进制安全 2、无需遍历数组获取长度
    其实c语言没有字符串,是靠字符数组实现的,并且以" \0 "作为结束标志,但是如果数据中间存在结束字符会导致读取数据不全的问题,所以引入len变量来保存字符数量,以len作为标准去读取数据,同时无需遍历数组获取长度(len)。
  • 3、动态扩容

    预分配有啥好处嘛?
    在操作系统中,分配内存需要内核态和用户态的转换,该过程十分损耗性能,所以当大于1m,会分配多1m,防止多次分配带来的性能损耗。

2、IntSet

组成

本质是一个动态有序的整数数组。

encoding表示编码方式,数组中的数据就按照该编码方式存储。

如何保证动态

问题来了:如果数据超过了编码的范围怎么办呢?


回答: 我们通过编码升级,倒叙依次拷贝(防止正序覆盖当前数据),再添加新元素,最后头信息:length+1并且编码修改为对应的编码类型。

如何确保有序呢? 底层如何查找的呢?

本质就是二分查找,找到则不插入返回错误,没找到则插入有序的适当位置。

3、Dict(dictionary)

3.1组成

和java中jdk1.7版本的HashMap底层数据结构十分相似,由三部分组成:hash表(数组),哈希节点(entry)、字典(Dict)

每个Dict有两个hashTable一个用于存储当前数据,一个用于rehash(后续详细介绍)。

每个hashTable(dictHT)存储entry的指针以及hash表大小和entry个数,其中有一个sizemask用于进行hash求索引比如n&sizemask等价于n%size(sizemask+1),&运算速率更加快。

当发生hash碰撞的时候就是key运算后索引相同则使用单向链表,进行前插法添加新元素。

3.2 扩容

3.3 收缩

hashTable默认size为4,怎么收缩都不能低于4。

收缩后的size为大于等于实际entry个数的最小2的n次方(5->8)

3.4 rehash

因为一次新增的数据太多,导致rehash一次性更新到新的hashTable时长太长而影响其他业务性能,所以每次执行增删改查的时候才会去更新一个索引的数据,直到结束为止。

4、ZipList


为什么不使用相同内存存储entry呢?

回答:之所以叫压缩列表,就是因为去除了链表中的指针(一个指针8字节),并且每个entry由实际内容决定,节省了大批内存空间。

在遍历的时候,无需使用链表的指针来获取前一个元素和下一个元素,而是根据previous_enrty_length计算前一个entry的起始地址,通过自身大小计算下一节点地址。

连锁更新问题

如果这个时候插入一个节点并且长度大于254,将会导致pre_enrty_length属性由1字节变成5字节导致后面的该属性全部连锁更新为5字节。

(该情况发生概率很低)

总结特性

  • 可以看成一种连续空间的"双向链表" ,首尾操作简单
  • 节点之间不通过指针连接,记录上一节点和本节点长度寻址,节省内存
  • 如果节点数量过多,导致链表过长,需要逐个遍历,查询效率不高
  • 增删大数据时可能发生连续更新问题

5、 QuickList

上面说到ZipList的致命缺点:空间连续,如果数据过多,申请效率会变低,查询效率也下降,如何解决呢?

  • 可以通过限制ZipList的长度和entry大小
  • 对于大量的数据进行分片,多个ZipList存储
  • 多个ZipList进行联系,引入主角:QuickList

5.1 组成

QuickList本质是一个双端链表,但是每个节点指向ZipList,使得ZipList们联系起来。

powershell 复制代码
config get list-max-ziplist-size 


powershell 复制代码
config get list-compress-depth 

5.2 底层源码(结合组成示意图理解)

5.3 特点总结

  • 是一个节点为ZipList的双端链表
  • 节点采用ZipList,解决了传统链表的内存占用问题(指针)
  • 控制了ZipList的大小,解决申请效率的问题
  • 中间节点可以进一步压缩,进一步节省内存空间。

6、SkipList

上面聊了这么多链表,其实都没看到怎么去解决快速查找中间节点的问题,这里引入的SkipList就优化了链表中元素查找效率。

它和其他传统链表不同:1、元素按升序排列(也是方便后续的查找)

根据score值进行排序

2、节点可能包含多个指针,跨度不一样(加速查找效率,跳表的来源)

上源码:是个双向链表,每个节点值是SDS,整个排序考score,然后就是前后指针,由于增序,所以多级指针体现在forword(向后),跨度不一所以使用数组存储。

示意图

特点总结:

  • 双向链表,每个节点都含score和ele值
  • 节点按score排序,score值相同则按 ele字典排序(字符串)
  • 每个节点可包含多级指针,1-32之间
  • 指针层级越高,跨度越大
  • 增删修改效率和红黑树 基本一致,实现却简单

最后:redis的对象(redisObject)

逐层分析

1、type

就是我们熟悉的5中常见类型string 、hash、list、set和zset(4个bit)

2、encoding

就是五种类型在数据量不同的情况下不同的编码方式(4个bit)

3、lru(最后一次使用时间)

便于统计使用情况,用于统计空闲时间。(24bit)

4、refcount

引用计数器,便于淘汰和回收。

5、ptr(指针)

指向真正的数据。

其实这里就可以发现: 如果我们一直使用string类型去存储大量数据,会浪费很多对象的头内存,我们可以将其使用集合去存储进行内存的优化。

二、常见数据结构

1、String

使用的编码格式有三种 RAW EMBSTR INT

  • 基本的编码方式是raw,基于SDS(动态字符串),存储上限为512mb。
  • 如果存储的SDS长度小于等于44字节 ,则采用EMBSTR 编码,此时redisobj head和SDS是一段连续空间 。申请内存时只需要调用一次内存分配函数(设计到内核态和用户态的切换),效率更高。
  • 如果存储的字符串是整数,并且大小在LONG_max 范围内,则采用INT编码,直接使用pre指针位置(刚好8字节),不需要SDS。

2、LIST

  • 在3.2版本之前,Redis采用ZipList和Linklist来实现List,当元素小于512并且元素大小小于64字节时采用ZipList编码,超过采用Linklist。
  • 3.2之后,统一使用QuickList来实现。
    具体QuickList请看上述中的详解。

3、Set(无序唯一)

  • 为了查询效率和唯一性,set采用HT编码(Dict)。Dict中的key用来存储元素,value统一为null。
  • 当存储的数据都是整数的时候,并且元素数量不超过set-max-intset-entries时,set采用IntSet编码,以节省空间。
    如图 当元素为{5,10,20}这时候 sadd s1 m1 会将编码方式由intset转为dict。

4、ZSet(SortedSet)

其中的每一个元素都需要指定一个score值和member值:

  • 根据score值排序
  • member值唯一(set都是这样的)
  • 根据member查询score
    so:底层数据结构必须满足 键值存储,键唯一,可排序
  • dict 满足键值存储和根据key找value
  • skipList 满足可排序,可以存储score和member
    其实底层就是综合了他们的优点来满足需求,二者都要,一共两份数据(空间换时间)。
    示意图:

    key存ele ,value存score实现ele找score ,但是根据score排序。

大家可以看到当元素少的时候其实性价比不高,内存消耗比较大,所以

当元素不多的时候,底层会采用zipList 实现存储。
什么叫不多?界限是啥? 同时满足以下两个条件(一般都是个数,内存大小)

  • 元素小于128(默认)可以调节。
  • 每个元素小于64字节

学了zipList知道其实他本身不具备 键值存储,键唯一,可排序三个特点如何实现呢?

  • zipList是连续空间,因此score和ele紧挨着一起的两个enrty,ele在前。
  • score越小越接近队首,按score升序排列。

5、Hash

其实学了zset,发现二者很相似,只不过hash不需要保证有序,所以立马知道,其底层就是dict,但是当数据量不多则使用zipList。
hash默认是使用zipList编码,节省空间,相邻两个entry存的就是key 和value。
当数据量大时则转为HT(dict)编码,触发条件有两个:

  • 元素数量超过512(默认,可调节)
  • 大小超过64字节(默认,可调节)

    以上则是Redis底层主要的数据结构。
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