手写Redis系列：二、简单动态字符串SDS

SDS（Simple Dynamic String，简单动态字符串）是 Redis 自研的字符串实现，也是 Redis 最基础、最核心的数据结构 ------Redis 中所有字符串类型的键 / 值、AOF 缓冲区、客户端输入缓冲区等场景均基于 SDS 实现。Redis 6.2 对 SDS 做了极致的内存优化，核心目标是兼顾性能、内存效率、安全性，解决原生 C 字符串的诸多缺陷。

一、为什么 Redis 不使用原生 C 字符串？

原生 C 字符串（以 \0 结尾的字符数组）存在以下致命问题，无法满足 Redis 高性能、高可靠性的需求：

1. 长度计算低效 ：获取字符串长度需遍历到 \0，时间复杂度 O (n)；
2. 缓冲区溢出风险：拼接 / 修改字符串时，若未提前分配足够内存，会覆盖相邻内存；
3. 不支持二进制安全 ：\0 被视为结束符，无法存储图片、视频等二进制数据；
4. 内存重分配频繁 ：每次修改字符串（增 / 删）都需手动调用 realloc，性能损耗大；
5. 功能单一：仅支持最基础的字符操作，无长度记录、内存预分配等能力。

Redis 6.2 的 SDS 针对以上问题做了全方位优化，同时兼容部分 C 字符串函数（如 strcmp）。

二、Redis 6.2 SDS 的结构体设计（核心优化点）

Redis 6.2 为了最小化内存开销 ，根据字符串长度设计了 5 种 SDS 头部变体（sdshdr5/8/16/32/64），不同长度的字符串使用不同大小的头部，避免「小字符串占用大头部」的内存浪费。

核心定义（源码位于 src/sds.h）

类型别名：typedef char *sds

typedef char *sds;

核心设计巧思：

• sds 不是指向 SDS 头部，而是指向 buf 柔性数组的起始地址；
• 直接兼容 C 字符串函数：可将 sds 传给 strlen/strcmp 等（因 buf 末尾保留 \0）；
• 头部通过「指针偏移」获取（s - 头部大小），封装头部细节，降低上层使用成本。

SDS 头部结构体

/* 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[];
};

// sdshdr16/32/64 结构与 sdshdr8 一致，仅 len/alloc 类型为 uint16_t/32_t/64_t

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[];
};

1. 关键属性：__attribute__ ((__packed__))

• 作用：取消编译器的内存对齐（默认按 4/8 字节对齐），避免头部内存碎片；
• 示例：sdshdr8 头部由 len(1)+alloc(1)+flags(1) 组成，不加 __packed__ 会被填充到 4 字节，加后仅占 3 字节，极致节省内存。

2. 各头部字段解析

3. sdshdr5 的特殊说明

注释明确「sdshdr5 从未直接使用，仅文档化」：

• 原因：sdshdr5 的长度存在 flags 高 5 位，修改长度需位运算，比单独的 len 字段操作复杂；
• 替代方案：即使字符串长度 < 31，Redis 也优先使用 sdshdr8（操作更简单，性能损失可忽略）。

类型操作宏（头部指针计算）

#define SDS_TYPE_5  0
#define SDS_TYPE_8  1
#define SDS_TYPE_16 2
#define SDS_TYPE_32 3
#define SDS_TYPE_64 4
#define SDS_TYPE_MASK 7       // 二进制 00000111，提取 flags 低 3 位（类型）
#define SDS_TYPE_BITS 3       // 类型位的位数（3 位）
#define SDS_HDR_VAR(T,s) struct sdshdr##T *sh = (void*)((s)-(sizeof(struct sdshdr##T)));
#define SDS_HDR(T,s) ((struct sdshdr##T *)((s)-(sizeof(struct sdshdr##T))))
#define SDS_TYPE_5_LEN(f) ((f)>>SDS_TYPE_BITS)  // 提取 sdshdr5 的长度（右移 3 位）

核心宏解析

五、内联函数（高频操作，零调用开销）

static inline 特性：编译时展开，无函数调用栈开销，适合 len/avail 等高频操作。

1. sdslen：获取 SDS 实际长度

static inline size_t sdslen(const sds s) {
    unsigned char flags = s[-1];  // s 指向 buf，往前 1 字节是 flags
    switch(flags&SDS_TYPE_MASK) {
        case SDS_TYPE_5: return SDS_TYPE_5_LEN(flags);
        case SDS_TYPE_8: return SDS_HDR(8,s)->len;
        case SDS_TYPE_16: return SDS_HDR(16,s)->len;
        case SDS_TYPE_32: return SDS_HDR(32,s)->len;
        case SDS_TYPE_64: return SDS_HDR(64,s)->len;
    }
    return 0;  // 异常兜底（理论不会走到）
}

核心价值 ：O (1) 获取长度，解决原生 C 字符串 strlen O (n) 的问题。

2. sdsavail：获取可用空间

static inline size_t sdsavail(const sds s) {
    unsigned char flags = s[-1];
    switch(flags&SDS_TYPE_MASK) {
        case SDS_TYPE_5: return 0;  // sdshdr5 无 alloc，无可用空间
        case SDS_TYPE_8: { SDS_HDR_VAR(8,s); return sh->alloc - sh->len; }
        // 16/32/64 逻辑同 8
    }
    return 0;
}

用途：拼接 / 修改字符串前，快速判断是否需要扩容。

3. sdssetlen：设置 SDS 长度

static inline void sdssetlen(sds s, size_t newlen) {
    unsigned char flags = s[-1];
    switch(flags&SDS_TYPE_MASK) {
        case SDS_TYPE_5: {  // 修改 flags 高 5 位（长度）+ 低 3 位（类型）
            unsigned char *fp = ((unsigned char*)s)-1;
            *fp = SDS_TYPE_5 | (newlen << SDS_TYPE_BITS);
        } break;
        case SDS_TYPE_8: SDS_HDR(8,s)->len = newlen; break;
        // 16/32/64 逻辑同 8
    }
}

注意 ：仅修改长度字段，不检查边界（由上层函数如 sdsMakeRoomFor 保证安全性）。

4. 其他内联函数

六、核心 API 声明（按功能分类）

1. 创建 / 复制 / 释放（基础生命周期）

2. 扩容 / 内存管理（性能核心）

3. 拼接 / 复制（业务高频）

4. 格式化 / 转义（灵活输出）

5. 修改 / 修剪 / 截取（内容编辑）

6. 比较 / 转换（类型 / 内容对比）

7. 拆分 / 拼接（批量处理）