Redis学习笔记:数据结构

Redis的对象

Redis对象包含字符串对象、列表对象、哈希对象、集合对象和有序集合对象这五种类型的对象,针对不同的使用场景,为对象设置多种不同的数据结构实现,从而优化对象在不同场景下的使用效率。

除此之外,Redis的对象系统还实现了基于引用计数技术的内存回收机制,当程序不再使用某个对象的时候,这个对象所占用的内存就会被自动释放;另外,Redis还通过引用计数技术实现了对象共享机制,这一机制可以在适当的条件下,通过让多个数据库键共享同一个对象来节约内存。

实现

Redis中的每个对象都由一个redisObject结构表示,该结构中和保存数据有关的三个属性分别是type属性、encoding属性和ptr属性:

cpp 复制代码
typedef struct redisObject{
    //  类型
    unsigned type:4;
    //  编码
    unsigned encoding:4;
    //  指向底层实现数据结构的指针
    void *ptr;
    //  ...
} robj;

type:对象的type属性记录了对象的类型,对于Redis数据库保存的键值对来说,键总是一个字符串对象,而值则可以是字符串对象、列表对象、哈希对象、集合对象或者有序集合对象的其中一种。

encoding:通过encoding属性来设定对象所使用的编码,而不是为特定类型的对象关联一种固定的编码,极大地提升了Redis的灵活性和效率,因为Redis可以根据不同的使用场景来为一个对象设置不同的编码,从而优化对象在某一场景下的效率。

ptr:对象的ptr指针指向对象的底层实现数据结构,而这些数据结构由对象的encoding属性决定。encoding属性记录了对象所使用的编码,也即是说这个对象使用了什么数据结构作为对象的底层实现。

以下是Redis对象不同编码时对应的数据结构,以及使用的场景:

|--------|------------|-----------------------|----------------|
| 对象 | 编码 | 数据结构 | 使用场景 |
| 字符串对象 | int | long类型 | long字符串 |
| 字符串对象 | embstr | embstr类型的简单动态字符串(SDS) | 32字节以内短字符串 |
| 字符串对象 | raw | 简单动态字符串(SDS) | 大于32字节的字符串 |
| 列表对象 | ziplist | 压缩列表 | 列表项少且元素短 |
| 列表对象 | linkedlist | 双端链表 | 列表项多或元素长 |
| 哈希对象 | ziplist | 压缩列表 | 键值对少且元素短 |
| 哈希对象 | hashtable | 字典 | 键值对多或元素长 |
| 集合对象 | intset | 整数集合 | 元素都是整数且不超过512个 |
| 集合对象 | hashtable | 字典 | 元素不都是整数或超过512个 |
| 有序集合对象 | ziplist | 压缩列表 | 元素少且短 |
| 有序集合对象 | skiplist | 跳跃表+字典 | 元素多或长 |

embstr编码是专门用于保存短字符串的一种优化编码方式,这种编码和raw编码一样,都使用redisObject结构和sdshdr结构来表示字符串对象,但raw编码会调用两次内存分配函数来分别创建redisObject结构和sdshdr结构,而embstr编码则通过调用一次内存分配函数来分配一块连续的空间。由于内存中找到一块小的连续空间更容易,所有embstr编码更适合保存短字符串。embstr编码的优势是字符串对象的创建或清理时,内存分配或释放函数只需调用一次,而且连续的内存空间能够更好地利用缓存带来的优势。

可以通过TYPE命令查看键对应的值对象的类型,OBJECT ENCODING命令查看值对象的编码。

编码转换

随着对象增删改的操作的进行,当对象满足编码转换的条件时,Redis会进行编码转换,修改底层的数据结构,以适应新的环境,一般这种转换只会由优化类型转换为通用类型,而不会反过来,比如:int或embstr转换为raw,ziplist转换为linkedlist等。编码转换的条件可以通过参数修改。

内存回收

因为C语言并不具备自动内存回收功能,所以Redis在自己的对象系统中构建了一个引用计数技术实现的内存回收机制,通过这一机制,程序可以通过跟踪对象的引用计数信息,在适当的时候自动释放对象并进行内存回收。

对象共享

对象的引用计数属性还带有对象共享的作用。Redis会在初始化服务器时,创建值为0到9999的字符串对象,当需要用到这些对象时,会将对将被共享的值对象的引用计数加一,而不是新创建对象。Redis只会共享整数字符串对象,因为判断其它对象是否相等的成本更高。

对象的空转时长

对象的空转时长是指对象有多久没被访问,对象会记录自己的最后一次被访问的时间,这个时间可以用于计算对象的空转时间。服务器内存不足时空转时间较长的对像会被优先释放。

参考

《Redis设计与实现》

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