Redis中String 的底层实现是什么?

Redis中String 的底层实现是什么?

Redis 是基于 C 语言编写的,但 Redis 的 String 类型的底层实现并不是 C 语言中的字符串(即以空字符 \0 结尾的字符数组),而是自己编写了 SDS(Simple Dynamic String,简单动态字符串) 来作为底层实现。

SDS 最早是 Redis 作者为日常 C 语言开发而设计的 C 字符串,后来被应用到了 Redis 上,并经过了大量的修改完善以适合高性能操作。

Redis7.0 的 SDS 的部分源码如下(redis/src/sds.h at 7.0 · redis/redis · GitHub):

复制代码
/* Note: sdshdr5 is never used, we just access the flags byte directly.
 * However is here to document the layout of type 5 SDS strings. */
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr5 {
    unsigned char flags; /* 3 lsb of type, and 5 msb of string length */
    char buf[];
};
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr8 {
    uint8_t len; /* used */
    uint8_t alloc; /* excluding the header and null terminator */
    unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits */
    char buf[];
};
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr16 {
    uint16_t len; /* used */
    uint16_t alloc; /* excluding the header and null terminator */
    unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits */
    char buf[];
};
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr32 {
    uint32_t len; /* used */
    uint32_t alloc; /* excluding the header and null terminator */
    unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits */
    char buf[];
};
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr64 {
    uint64_t len; /* used */
    uint64_t alloc; /* excluding the header and null terminator */
    unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits */
    char buf[];
};

通过源码可以看出,SDS 共有五种实现方式 SDS_TYPE_5(并未用到)、SDS_TYPE_8、SDS_TYPE_16、SDS_TYPE_32、SDS_TYPE_64,其中只有后四种实际用到。Redis 会根据初始化的长度决定使用哪种类型,从而减少内存的使用。

类型 字节
sdshdr5 < 1 <8
sdshdr8 1 8
sdshdr16 2 16
sdshdr32 4 32
sdshdr64 8 64

对于后四种实现都包含了下面这 4 个属性:

  • len:字符串的长度也就是已经使用的字节数

  • alloc:总共可用的字符空间大小,alloc-len 就是 SDS 剩余的空间大小

  • buf[]:实际存储字符串的数组

  • flags:低三位保存类型标志

SDS 相比于 C 语言中的字符串有如下提升:

  1. 可以避免缓冲区溢出:C 语言中的字符串被修改(比如拼接)时,一旦没有分配足够长度的内存空间,就会造成缓冲区溢出。SDS 被修改时,会先根据 len 属性检查空间大小是否满足要求,如果不满足,则先扩展至所需大小再进行修改操作。

  2. 获取字符串长度的复杂度较低:C 语言中的字符串的长度通常是经过遍历计数来实现的,时间复杂度为 O(n)。SDS 的长度获取直接读取 len 属性即可,时间复杂度为 O(1)。

  3. 减少内存分配次数:为了避免修改(增加/减少)字符串时,每次都需要重新分配内存(C 语言的字符串是这样的),SDS 实现了空间预分配和惰性空间释放两种优化策略。当 SDS 需要增加字符串时,Redis 会为 SDS 分配好内存,并且根据特定的算法分配多余的内存,这样可以减少连续执行字符串增长操作所需的内存重分配次数。当 SDS 需要减少字符串时,这部分内存不会立即被回收,会被记录下来,等待后续使用(支持手动释放,有对应的 API)。

  4. 二进制安全 :C 语言中的字符串以空字符 \0 作为字符串结束的标识,这存在一些问题,像一些二进制文件(比如图片、视频、音频)就可能包括空字符,C 字符串无法正确保存。SDS 使用 len 属性判断字符串是否结束,不存在这个问题。

🤐 多提一嘴,很多文章里 SDS 的定义是下面这样的:

复制代码
struct sdshdr {
    unsigned int len;
    unsigned int free;
    char buf[];
};

这个也没错,Redis 3.2 之前就是这样定义的。后来,由于这种方式的定义存在问题,lenfree 的定义用了 4 个字节,造成了浪费。Redis 3.2 之后,Redis 改进了 SDS 的定义,将其划分为了现在的 5 种类型。

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