概述
字典,又称为符号表(symbol table)、关联数组(associative array)或映射(map),是一种用于保存键值对(key-value pair)的抽象数据结构。字典在Redis中的应用相当广泛,比如Redis的数据库就是使用字典来作为底层实现的,对数据库的增、删、查、改操作也是构建在对字典的操作之上的。除了用来表示数据库之外,字典还是哈希键的底层实现之一。
实现
Redis字典所使用的哈希表由dict.h/dictht结构定义:
cpp
typedef struct dictht{
//哈希表数组
dictEntry **table;
//哈希表大小
unsigned long size;
//哈希表大小掩码,用于计算索引值,总是等于size-1unsigned
long sizemask;
//该哈希表已有节点的数量
unsigned long used;
} dictht;
哈希表节点使用dictEntry结构表示,每个dictEntry结构都保存着一个键值对:
cpp
typedef struct dictEntry{
//键
void *key;
//值
union{
void *val;
uint64_tu64;
int64_ts64;
}v;
//指向下个哈希表节点,形成链表,解决冲突
struct dictEntry *next;
} dictEntry;
Redis使用链地址法解决哈希冲突,新节点接入链表时使用头插法,头插法的优点是速度快,因为Redis命令是单线程执行的,所以不会出现链表成环问题。如图展示了如何通过next指针,将两个索引值相同的键k1和k0连接在一起:
Redis中的字典由dict.h/dict结构表示:
cpp
typedef struct dict{
//类型特定函数
dictType *type;
//私有数据
void *privdata;
//哈希表
dictht ht[2];
//rehash索引,非rehash不状态值为-1
in trehashidx;
} dict;
type属性和privdata属性是针对不同类型的键值对,为创建多态字典而设置的,ht属性是一个包含两个项的数组,数组中的每个项都是一个哈希表,一般情况下,字典只使用ht[0]哈希表,ht[1]哈希表只会在对ht[0]哈希表进行rehash时使用。除了ht[1]之外,另一个和rehash有关的属性就是rehashidx,它记录了rehash目前的进度,如果目前没有在进行rehash,那么它的值为-1。
rehash
随着操作的不断执行,哈希表保存的键值对会逐渐地增多或者减少,为了让哈希表的负载因子维持在一个合理的范围之内,当哈希表保存的键值对数量太多或者太少时,程序需要对哈希表的大小进行相应的扩展或者收缩。扩展和收缩哈希表的工作可以通过执行rehash操作来完成,Redis对字典的哈希表执行rehash的步骤如下:
- 为字典的ht[1]哈希表分配空间,相对ht[0]扩展或者收缩。
- 将保存在ht[0]中的所有键值对rehash到ht[1]上。
- 当ht[0]包含的所有键值对都迁移到了ht[1]之后,释放ht[0],将ht[1]设置为ht[0],并在ht[1]新创建一个空白哈希表,为下一次rehash做准备。
渐进式rehash
rehash动作并不是一次性、集中式地完成的,而是分多次、渐进式地完成的。这样做的原因在于,如果哈希表里保存着大量的键值对,一次性将这些键值对全部rehash到ht[1]的话,庞大的计算量可能会导致服务器在一段时间内停止服务。因此,为了避免rehash对服务器性能造成影响,服务器不是一次性将ht[0]里面的所有键值对全部rehash到ht[1],而是分多次、渐进式地将ht[0]里面的键值对慢慢地rehash到ht[1]。
以下是哈希表渐进式rehash的详细步骤:
- 为ht[1]分配空间,让字典同时持有ht[0]和ht[1]两个哈希表。
- 在字典中维持一个索引计数器变量rehashidx,并将它的值设置为0,表示rehash工作正式开始。
- 在rehash进行期间,每次对字典执行添加、删除、查找或者更新操作时,程序除了执行指定的操作以外,还会顺带将ht[0]哈希表在rehashidx索引上的所有键值对rehash到ht[1],当rehash工作完成之后,程序将rehashidx属性的值增一。
- 随着字典操作的不断执行,最终在某个时间点上,ht[0]的所有键值对都会被rehash至ht[1],这时程序将rehashidx属性的值设为-1,表示rehash操作已完成。
在进行渐进式rehash的过程中,字典会同时使用ht[0]和ht[1]两个哈希表,所以在渐进式rehash进行期间,字典的删除、查找、更新等操作会在两个哈希表上进行。例如,要在字典里面查找一个键的话,程序会先在ht[0]里面进行查找,如果没找到的话,就会继续到ht[1]里面进行查找,诸如此类。另外,新添加到字典的键值对一律会被保存到ht[1]里面,而ht[0]则不再进行任何添加操作,这一措施保证了ht[0]包含的键值对数量会只减不增,并随着rehash操作的执行而最终变成空表。
参考
《Redis设计与实现》