Redis中五大数据结构的底层实现

田兆壮 2020-03-20 12:43:34
作者介绍

田兆壮,新炬网络开发工程师。具备扎实的Java、Scala开发经验,熟练使用Python和Shell等脚本语言;具备前后端开发能力,熟练使用关系型数据库和非关系型数据库以及开发中的调优;分布式方面精通RPC框架和消息中间件等开源框架的使用;在大数据领域熟练使用Hadoop生态系统中的开源软件,精读及实践过Spark资源调度算法、shuffle原理、算子调优、数据倾斜的解决等偏底层的原理。目前正在深入学习微服务架构,以及Flink的原理和使用。

 

一、概述

 

Redis是一个开源的使用ANSI C语言编写、遵守BSD协议、支持网络、可基于内存亦可持久化的日志型、Key-Value数据库,与Memcached类似,却优于Memcached的一个高性能的key-value数据库。下面让我们来详细介绍一下redis中五大数据结构的底层实现。

 

二、简单动态字符串

 

1、概述

 

Redis是一个开源的使用ANSI C语言编写的key-value 数据库,我们可能会较为主观的认为 Redis 中的字符串就是采用了C语言中的传统字符串表示,但其实不然,Redis没有直接使用C语言传统的字符串表示,而是自己构建了一种名为简单动态字符串(simple dynamic string SDS)的抽象类型,并将SDS用作Redis的默认字符串表示:redis>SET msg "hello world"

 

SDS 定义:

 

 

struct sdshdr{

     //记录buf数组中已使用字节的数量

     //等于 SDS 保存字符串的长度

     int len;

     //记录 buf 数组中未使用字节的数量

     int free;

     //字节数组,用于保存字符串

     char buf[];

}

 

图片来源:《Redis设计与实现》

 

我们看上面对于 SDS 数据类型的定义:

 

  • len 保存了SDS保存字符串的长度

  • buf[] 数组用来保存字符串的每个元素

  • free j记录了 buf 数组中未使用的字节数量  

 

2、与C语言相比较 

 

 

一般来说,SDS 除了保存数据库中的字符串值以外,SDS 还可以作为缓冲区(buffer):包括 AOF 模块中的AOF缓冲区以及客户端状态中的输入缓冲区。后面在介绍Redis的持久化时会进行介绍。

 

三、链表

 

1、概述

 

链表提供了高效的节点重排能力,以及顺序性的节点访问方式,并且可以通过增删节点来灵活地调整链表的长度。

 

链表在Redis 中的应用非常广泛,比如列表键的底层实现之一就是链表。当一个列表键包含了数量较多的元素,又或者列表中包含的元素都是比较长的字符串时,Redis 就会使用链表作为列表键的底层实现。

 

每个链表节点使用一个listNode结构表示(adlist.h/listNode):

 

 

typedef  struct listNode{

       //前置节点

       struct listNode *prev;

       //后置节点

       struct listNode *next;

       //节点的值

       void *value;  

}listNode

 

链表的数据结构:

 

 

typedef struct list{

     //表头节点

     listNode *head;

     //表尾节点

     listNode *tail;

     //链表所包含的节点数量

     unsigned long len;

     //节点值复制函数

     void (*free) (void *ptr);

     //节点值释放函数

     void (*free) (void *ptr);

     //节点值对比函数

     int (*match) (void *ptr,void *key);

}list;

 

组成结构图

 

 

2、Redis链表特性

 

  • 双端:链表具有前置节点和后置节点的引用,获取这两个节点时间复杂度都为O(1)。

  • 无环:表头节点的 prev 指针和表尾节点的 next 指针都指向 NULL,对链表的访问都是以 NULL 结束。  

  • 带链表长度计数器:通过 len 属性获取链表长度的时间复杂度为 O(1)。

  • 多态:链表节点使用 void* 指针来保存节点值,可以保存各种不同类型的值。

 

四、字典

 

1、概述

 

字典又称为符号表或者关联数组、或映射(map),是一种用于保存键值对的抽象数据结构。字典中的每一个键 key 都是唯一的,通过 key 可以对值来进行查找或修改。C 语言中没有内置这种数据结构的实现,所以字典依然是 Redis自己构建的。

 

哈希表结构定义:

 

 

typedef struct dictht{

     //哈希表数组

     dictEntry **table;

     //哈希表大小

     unsigned long size;

     //哈希表大小掩码,用于计算索引值

     //总是等于 size-1

     unsigned long sizemask;

     //该哈希表已有节点的数量

     unsigned long used;

 

}dictht

 

哈希表是由数组 table 组成,table 中每个元素都是指向 dict.h/dictEntry 结构,dictEntry 结构定义如下:

 

 

typedef struct dictEntry{

     //键

     void *key;

     //值

     union{

          void *val;

          uint64_tu64;

          int64_ts64;

     }v;

 

     //指向下一个哈希表节点,形成链表

     struct dictEntry *next;

}dictEntry

 

key 用来保存键,val 属性用来保存值,值可以是一个指针,也可以是uint64_t整数,也可以是int64_t整数。

 

注意这里还有一个指向下一个哈希表节点的指针,我们知道哈希表最大的问题是存在哈希冲突,如何解决哈希冲突,有开放地址法和链地址法。这里采用的便是链地址法,通过next这个指针可以将多个哈希值相同的键值对连接在一起,用来解决哈希冲突

 

 

五、跳跃表

 

1、概述

 

跳跃表(skiplist)是一种有序数据结构,它通过在每个节点中维持多个指向其他节点的指针,从而达到快速访问节点的目的。跳跃表是一种随机化的数据,跳跃表以有序的方式在层次化的链表中保存元素,效率和平衡树媲美 ——查找、删除、添加等操作都可以在对数期望时间下完成,并且比起平衡树来说,跳跃表的实现要简单直观得多。

 

Redis 只在两个地方用到了跳跃表,一个是实现有序集合键,另外一个是在集群节点中用作内部数据结构。

 

Redis中跳跃表节点定义如下:

 

 

typedef struct zskiplistNode {

     //层

     struct zskiplistLevel{

           //前进指针

           struct zskiplistNode *forward;

           //跨度

           unsigned int span;

     }level[];

 

     //后退指针

     struct zskiplistNode *backward;

     //分值

     double score;

     //成员对象

     robj *obj;

 

} zskiplistNode

 

多个跳跃表节点构成一个跳跃表:

 

 

typedef struct zskiplist{

     //表头节点和表尾节点

     structz skiplistNode *header, *tail;

     //表中节点的数量

     unsigned long length;

     //表中层数最大的节点的层数

     int level;

 

}zskiplist;

 

  • header和tail指针分别指向跳跃表的表头和表尾节点;

  • length属性记录节点的数量;

  • level属性记录层数最高的几点的层数量;

  • 下图分别展示了完整的跳跃表和单个节点的详细结构图:

 

 

2、特性

 

跳表具有如下性质:

 

  • 由很多层结构组成

  • 每一层都是一个有序的链表

  • 最底层(Level 1)的链表包含所有元素

  • 如果一个元素出现在 Level i 的链表中,则它在 Level i 之下的链表也都会出现。

  • 每个节点包含两个指针,一个指向同一链表中的下一个元素,一个指向下面一层的元素。

 

六、整数集合

 

1、概述

 

《Redis 设计与实现》 中这样定义整数集合:“整数集合是集合建的底层实现之一,当一个集合中只包含整数,且这个集合中的元素数量不多时,redis就会使用整数集合intset作为集合的底层实现。”

 

我们可以这样理解整数集合,他其实就是一个特殊的集合,里面存储的数据只能够是整数,并且数据量不能过大。

 

 

typedef struct intset{

     //编码方式

     uint32_t encoding;

     //集合包含的元素数量

     uint32_t length;

     //保存元素的数组

     int8_t contents[];

 

}intset;

 

我们观察一下一个完成的整数集合结构图:

 

 

  • encoding:用于定义整数集合的编码方式

  • length:用于记录整数集合中变量的数量

  • contents:用于保存元素的数组,虽然我们在数据结构图中看到,intset将数组定义为int8_t,但实际上数组保存的元素类型取决于encoding

 

2、特性

 

  • 整数集合是集合建的底层实现之一

  • 整数集合的底层实现为数组,这个数组以有序,无重复的范式保存集合元素,在有需要时,程序会根据新添加的元素类型改变这个数组的类型

  • 升级操作为整数集合带来了操作上的灵活性,并且尽可能地节约了内存2

  • 整数集合只支持升级操作,不支持降级操作

 

七、压缩列表

 

1、概述

 

压缩列表是列表键和哈希键的底层实现之一。当一个列表键只包含少量列表项,并且每个列表项要么就是小整数,要么就是长度比较短的字符串,那么Redis 就会使用压缩列表来做列表键的底层实现。

 

一个压缩列表的组成如下:  

 

 

  • zlbytes:用于记录整个压缩列表占用的内存字节数

  • zltail:记录要列表尾节点距离压缩列表的起始地址有多少字节

  • zllen:记录了压缩列表包含的节点数量

  • entryX:要说列表包含的各个节点

  • zlend:用于标记压缩列表的末端

 

2、特性

 

  • 压缩列表是一种为了节约内存而开发的顺序型数据结构

  • 压缩列表被用作列表键和哈希键的底层实现之一

  • 压缩列表可以包含多个节点,每个节点可以保存一个字节数组或者整数值

  • 添加新节点到压缩列表,可能会引发连锁更新操作。

 


 

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