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)

为什么要这样设计呢?为什么不用c语言的字符串呢?

  • 保证二进制安全且无需遍历数组获取长度
    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)
  • 动态扩容

2. IntSet

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。

如果数据超过了编码的范围怎么办呢?

如何确保有序呢? 底层如何查找的呢?

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。
bash 复制代码
config get list-max-ziplist-size 


bash 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
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