Redis底层数据结构

一、前言

我们都知道Redis 是用C语言实现的，但是C 本身并没有内置高级数据结构

如：String（字符串），List（链表），Set（集合），Hash（哈希表） ， Zset（有序集合），Stream（流）等

所以，Redis 必须自己从零设计一套高度定制化的数据结构 ，满足其作为高性能内存数据库的独特需求。

二、Redis底层数据结构 →SDS

1、SDS简介

SDS （Simple Dynamic String，简单动态字符串）是 Redis 自主实现的一种高效、安全、二进制友好的动态字符串结构 ，用于替代 C 语言原生的 char* 字符串。

2、为什么需要SDS

C语言并没有字符串结构，而是通过字符数组来间接的表示字符串，对应的存储结果，如下：

C 语言中的字符串本质是以 \0（空字符）结尾的字符数组，这种设计存在严重问题：

问题	说明
🔴 获取长度需 O(n)	必须遍历到`\0`才知道长度（`strlen()`）越长越慢
🔴 二进制不安全	如果数据中间有 `\0`，会被截断，被误认为字符串结束（无法存图片、加密数据等）
🔴 缓冲区溢出风险高	`strcat(dest, src)` 不检查`dest`空间是否够大，极易导致内存越界
🔴 修改效率低	无法预分配空间，每次拼接都可能触发 `realloc`（重新分配内存）
🔴 内存浪费或碎片	没有统一管理，频繁分配小字符串导致碎片

为了解决这些问题，Redis 设计了 SDS，它是一个带有元数据头的结构，支持：

SDS 优点
✅ 获取长度O(1) ：通过 `len` 字段直接记录当前字符串长度，无需遍历
✅ 二进制安全：字符串内容由`len`决定，可包含任意字节（包括 `\0`），适用于任意二进制数据
✅ 杜绝缓冲区溢出：所有修改操作（如 `sdscat`）都会先检查 `alloc` 是否足够，不足则自动扩容后再写入
✅ 高效修改 + 空间预分配：采用"预分配冗余空间"策略（<1MB 时翻倍，≥1MB 时 +1MB），大幅减少 realloc 次数
✅ 惰性空间释放 + 多种 header 优化内存： 1、缩短字符串时不立即释放内存（仅更新 `len`），后续可复用 2、根据字符串长度自动选择 `sdshdr 5/8/16/32/64`，最小化结构体开销

3、SDS 的结构

Redis 使用了多种 SDS 类型来优化内存使用，根据字符串长度选择不同 header

c 复制代码

// Redis源码中的 sds.h 文件
/*
 sdshdr8：用于存储长度在 32 ~ 255 字节之间的字符串。
 len 和 alloc 使用 uint8_t（1字节），最多表示 255。
 当字符串长度 >= 32 且 <= 255 时，Redis 自动选用此结构以节省内存。
*/
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr8 {
    uint8_t len;         /* 已使用字节数（字符串实际长度） */
    uint8_t alloc;       /* 已分配的总容量（不包括头部和结尾的空字符 \0） */
    unsigned char flags; /* 低3位表示SDS类型（此处为SDS_TYPE_8），高5位保留未用 */
    char buf[];          /* 柔性数组，用于存储实际的字符串内容（末尾自动加 \0） */
};

/*
 sdshdr16：用于存储长度在 256 ~ 65535 字节（即 64KB - 1）之间的字符串。
 len 和 alloc 使用 uint16_t（2字节），适用于中等大小的字符串。
 当字符串长度 >= 256 且 <= 65535 时使用。
*/
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr16 {
    uint16_t len;        /* 已使用字节数（字符串实际长度） */
    uint16_t alloc;      /* 已分配的总容量（不包括头部和结尾的空字符 \0） */
    unsigned char flags; /* 低3位表示SDS类型（此处为SDS_TYPE_16），高5位保留未用 */
    char buf[];          /* 柔性数组，用于存储实际的字符串内容（末尾自动加 \0） */
};

/*
 sdshdr32：用于存储长度在 65536 ~ 4,294,967,295 字节（约 4GB）之间的字符串。
 len 和 alloc 使用 uint32_t（4字节），适用于大字符串（如大JSON、序列化对象等）。
 在 32 位或 64 位系统上，只要字符串不超过 4GB，通常优先使用此结构。
*/ 
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr32 {
    uint32_t len;        /* 已使用字节数（字符串实际长度） */
    uint32_t alloc;      /* 已分配的总容量（不包括头部和结尾的空字符 \0） */
    unsigned char flags; /* 低3位表示SDS类型（此处为SDS_TYPE_32），高5位保留未用 */
    char buf[];          /* 柔性数组，用于存储实际的字符串内容（末尾自动加 \0） */
};

/*
 sdshdr64：用于存储长度超过 4GB 的超大字符串（极少见，生产环境几乎不用）。
 len 和 alloc 使用 uint64_t（8字节），仅在 64 位系统上可能被使用。
 当字符串长度 > 2^32 - 1（即 > 4,294,967,295 字节）时启用。
*/
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr64 {
    uint64_t len;        /* 已使用字节数（字符串实际长度） */
    uint64_t alloc;      /* 已分配的总容量（不包括头部和结尾的空字符 \0） */
    unsigned char flags; /* 低3位表示SDS类型（此处为SDS_TYPE_64），高5位保留未用 */
    char buf[];          /* 柔性数组，用于存储实际的字符串内容（末尾自动加 \0） */
};

4、SDS 扩容规则（当需要更多空间时）

当 SDS 的当前分配空间（alloc ）不足以容纳新增数据时，系统会自动执行扩容操作：
申请一块更大的内存区域，将原有数据 （包括头部元信息和字符串内容）完整复制到新内存，随后释放旧内存，并更新指针使其指向新的地址。

条件	扩容策略	目的
当前字符串长度 < 1MB	新容量 = 2 × 所需总长度（即至少翻倍）	减少小字符串频繁 realloc（重新分配内存），提升性能
当前字符串长度 ≥ 1MB	新容量 = 所需总长度 + 1MB	避免大字符串翻倍导致内存浪费