Redis底层数据结构 -- ziplist, quicklist, skiplist

Redis 底层数据结构学习笔记

(ziplist、quicklist、skiplist)

1. ziplist(压缩列表)

Redis 3.x~5.x 普遍使用的紧凑型线性存储结构,用于存储小数量对象。

用于:

  • 小型 List(少量元素)
  • 小型 Hash(field/value 都小)
  • 小型 ZSet(score + member)

1.1 为什么使用 ziplist?

因为:

  • dict、linkedlist 等结构的指针非常占内存
  • 小数据使用 dict 不划算

ziplist 追求:

复制代码
空间最节省(compact),连续内存,低开销

1.2 ziplist 的结构图(逻辑)

复制代码
+----------+----------+----------+-----------+---------+
| zlbytes  | zltail   | zllen    | entries   | zlend   |
+----------+----------+----------+-----------+---------+
字段 说明
zlbytes ziplist 占用总字节数
zltail 最后一个 entry 的偏移量
zllen entry 数量
entries 真正的数据
zlend 0xFF 标记结束

2.3 entry 的结构

每个 entry 分三部分:

复制代码
prevlen | encoding | data

意义:

  • prevlen:前一个节点长度(用于快速回退)
  • encoding:整数 or 字符串
  • data:实际内容

2.4 ziplist 的优缺点

优点:

  • 内存占用非常小
  • 结构紧凑
  • 顺序访问速度快

缺点:

  • 插入/删除需要移动内存(O(n))
  • 容易产生连锁更新(prevlen 扩容会导致级联)
  • 不适合大数据量

2. quicklist(快速列表)

Redis 3.2 后为优化 List 结构,引入了 quicklist。

quicklist = 双端链表 + ziplist

每个结点是一个 ziplist,而不是单个元素。


2.1 quicklist 的结构

复制代码
quicklist
├── quicklistNode → ziplist  
├── quicklistNode → ziplist  
└── quicklistNode → ziplist  

每个 quicklistNode 包含:

复制代码
previous
next
ziplist 指针
ziplist 长度
ziplist 压缩深度

2.2 设计目的

解决:

  • linkedlist 内存浪费
  • ziplist 修改效率低 之间的矛盾

quicklist:

  • 用链表解决扩容/插入效率问题
  • 每个列表节点又用 ziplist 节省内存

2.3 quicklist 的优点

  • 内存利用率高(ziplist)
  • 插入删除快(linkedlist)
  • 性能稳定,各场景兼顾

因此 List 的底层结构(原 linkedlist)被 quicklist 完全替代。


2.4 quicklist 的使用场景

List 类型的底层结构:

  • RPUSH / LPUSH
  • LPOP / RPOP
  • LRANGE

适合大多数队列、栈、日志等业务。


3. skiplist(跳表)

skiplist 是 Redis Sorted Set(ZSet)的底层结构之一。

ZSet 底层 = dict + skiplist

  • dict 负责根据 member 查 score
  • skiplist 负责根据 score 排序和范围查询

3.1 为什么使用跳表而不是平衡树?

跳表特点:

  • 实现简单
  • 插入删除快速
  • 区间查询高效
  • 在 Redis 单线程中更友好(无需复杂旋转)

时间复杂度:

复制代码
查找、插入、删除:O(logN)
区间查询:O(logN + m)

4.2 skiplist 结构

包含多个"层级":

复制代码
L4:  o-------------o
L3:  o-----o---o---o---o
L2:  o-o-o-o-o-o-o-o-o-o
L1:  o-o-o-o-o-o-o-o-o-o

层级越高节点越少,作为"索引",类似高速公路。


3.3 skiplist 节点结构

复制代码
score  
member  
level[]  // 每层 forward 指针
backward // 后退指针

特点:

  • 多层 forward 提高查找效率
  • backward 用于反向查找

3.4 skiplist 使用场景(ZSet 核心)

  • 排行榜
  • TOP N
  • 时间排序消息流
  • 范围查询(ZRANGE/ZREVRANGE/BYRANK/BYSCORE)

Redis Sorted Set 的高性能就来自 skiplist。


总结表

数据结构 底层用途 复杂度 优点 缺点
ziplist 小型 List/Hash/ZSet O(n) 内存最省 插入删除慢
quicklist List O(1)/O(n) ziplist + 链表折中 复杂度高
skiplist ZSet 排序结构 O(logN) 区间查询效率高 内存比平衡树略大
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