作者:JAVA知音
链接:https://www.cnblogs.com/javazhiyin/p/11063944.html
我们在面试时,常常可以遇到的面试题是关于redis,这是很多面试官都喜欢的一个部分。而今天要讲的,是redis的底层数据结构,并非是我们所理解中的五大数据结构。那么,redis底层数据结构到底是怎样的呢?你知道 Rdidis数据结构底层实现吗?
我们都知道redis是用C语言写,但是C语言处理字符串和数组的成本是很高的,下面我分别说几个例子。
没有数据结构支撑的几个问题
好了,Redis自己构建了一种名叫Simple dynamic string(SDS)的数据结构,他分别对这几个问题作了处理。我们先来看看它的结构源码:
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[]; }
再来说说它的优点:
更多了解:https://redis.io/topics/internals-sds
这就是string的底层实现,更是redis对所有字符串数据的处理方式(SDS会被嵌套到别的数据结构里使用)。
Redis的链表在双向链表上扩展了头、尾节点、元素数等属性。
2.1 源码
ListNode节点数据结构:
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;
从上面可以看到,Redis的链表有这几个特点:
Redis的Hash,就是在数组+链表的基础上,进行了一些rehash优化等。
3.1 数据结构源码
哈希表:
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;
Hash表节点:
typedef struct dictEntry { // 键 void *key; // 值 union { void *val; uint64_t u64; int64_t s64; } v; // 指向下个哈希表节点,形成链表 struct dictEntry *next; // 单链表结构 } dictEntry;
字典:
typedef struct dict { // 类型特定函数 dictType *type; // 私有数据 void *privdata; // 哈希表 dictht ht[2]; // rehash 索引 // 当 rehash 不在进行时,值为 -1 int rehashidx; /* rehashing not in progress if rehashidx == -1 */ } dict;
可以看出:
下面我们讲一下它的rehash优化。
3.2 rehash
当哈希表的键对泰国或者太少,就需要对哈希表的大小进行调整,redis是如何调整的呢?
3.3 渐进式rehash
我们在3.2中看到,redis处理rehash的流程,但是更细一点的讲,它如何进行数据迁的呢?
这就涉及到了渐进式rehash,redis考虑到大量数据迁移带来的cpu繁忙(可能导致一段时间内停止服务),所以采用了渐进式rehash的方案。步骤如下:
它的好处:采用分而治之的思想,将庞大的迁移工作量划分到每一次CURD中,避免了服务繁忙。
这个数据结构是我面试中见过最多的,它其实特别简单。学过的人可能都知道,它和平衡树性能很相似,但为什么不用平衡树而用skipList呢?
4.1 skipList & AVL 之间的选择
可以看到,skipList中的元素是有序的,所以跳跃表在redis中用在有序集合键、集群节点内部数据结构
4.2 源码
跳跃表节点:
typedef struct zskiplistNode { // 后退指针 struct zskiplistNode *backward; // 分值 double score; // 成员对象 robj *obj; // 层 struct zskiplistLevel { // 前进指针 struct zskiplistNode *forward; // 跨度 unsigned int span; } level[]; } zskiplistNode;
跳跃表:
typedef struct zskiplist { // 表头节点和表尾节点 struct zskiplistNode *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;
它有几个概念:
4.2.1 层(level[])
层,也就是level[]字段,层的数量越多,访问节点速度越快。(因为它相当于是索引,层数越多,它索引就越细,就能很快找到索引值)
4.2.2 前进指针(forward)
层中有一个forward字段,用于从表头向表尾方向访问。
4.2.3 跨度(span)
用于记录两个节点之间的距离
4.2.4 后退指针(backward)
用于从表尾向表头方向访问。
案例
level0 1---------->5 level1 1---->3---->5 level2 1->2->3->4->5->6->7->8
比如我要找键为6的元素,在level0中直接定位到5,然后再往后走一个元素就找到了。
5. 整数集合(intset)
Reids对整数存储专门作了优化,intset就是redis用于保存整数值的集合数据结构。当一个结合中只包含整数元素,redis就会用这个来存储。
127.0.0.1:6379[2]> sadd number 1 2 3 4 5 6 (integer) 6 127.0.0.1:6379[2]> object encoding number "intset"
源码
intset数据结构:
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;
你肯定很好奇编码方式(encoding)字段是干嘛用的呢?
说白了就是根据contents字段来判断用哪个int类型更好,也就是对int存储作了优化。
说到优化,那redis如何作的呢?就涉及到了升级。
5.1 encoding升级
如果我们有个Int16类型的整数集合,现在要将65535(int32)加进这个集合,int16是存储不下的,所以就要对整数集合进行升级。
它是怎么升级的呢(过程)?
假如现在有2个int16的元素:1和2,新加入1个int32位的元素65535。
升级的好处是什么呢?
5.2 不支持降级
按照上面的例子,如果我把65535又删掉,encoding会不会又回到Int16呢,答案是不会的。官方没有给出理由,我觉得应该是降低性能消耗吧,毕竟调整一次是O(N)的时间复杂度。
6. 压缩列表(ziplist)
ziplist是redis为了节约内存而开发的顺序型数据结构。它被用在列表键和哈希键中。一般用于小数据存储。
引用https://segmentfault.com/a/1190000016901154中的两个图:
6.1 源码
ziplist没有明确定义结构体,这里只作大概的演示。
typedef struct entry { /*前一个元素长度需要空间和前一个元素长度*/ unsigned int prevlengh; /*元素内容编码*/ unsigned char encoding; /*元素实际内容*/ unsigned char *data; }zlentry; tpedef struct ziplist{ /*ziplist分配的内存大小*/ uint32_t zlbytes; /*达到尾部的偏移量*/ uint32_t zltail; /*存储元素实体个数*/ uint16_t zllen; /*存储内容实体元素*/ unsigned char* entry[]; /*尾部标识*/ unsigned char zlend; }ziplist;
第一次看可能会特别蒙蔽,你细细的把我这段话看完就一定能懂。
Entry的分析
entry结构体里面有三个重要的字段:
连锁更新
previous_entry_length字段的分析
上面有说到,previous_entry_length这个字段存放上个节点的长度,那默认长度给分配多少呢?redis是这样分的,如果前节点长度小于254,就分配1字节,大于的话分配5字节,那问题就来了。
如果前一个节点的长度刚开始小于254字节,后来大于254,那不就存放不下了吗? 这就涉及到previous_entry_length的更新,但是改一个肯定不行阿,后面的节点内存信息都需要改。所以就需要重新分配内存,然后连锁更新包括该受影响节点后面的所有节点。
除了增加新节点会引发连锁更新、删除节点也会触发。
一个由ziplist组成的双向链表。但是一个quicklist可以有多个quicklist节点,它很像B树的存储方式。是在redis3.2版本中新加的数据结构,用在列表的底层实现。
结构体源码
表头结构:
typedef struct quicklist { //指向头部(最左边)quicklist节点的指针 quicklistNode *head; //指向尾部(最右边)quicklist节点的指针 quicklistNode *tail; //ziplist中的entry节点计数器 unsigned long count; /* total count of all entries in all ziplists */ //quicklist的quicklistNode节点计数器 unsigned int len; /* number of quicklistNodes */ //保存ziplist的大小,配置文件设定,占16bits int fill : 16; /* fill factor for individual nodes */ //保存压缩程度值,配置文件设定,占16bits,0表示不压缩 unsigned int compress : 16; /* depth of end nodes not to compress;0=off */ } quicklist;
quicklist节点结构:
typedef struct quicklistNode { struct quicklistNode *prev; //前驱节点指针 struct quicklistNode *next; //后继节点指针 //不设置压缩数据参数recompress时指向一个ziplist结构 //设置压缩数据参数recompress指向quicklistLZF结构 unsigned char *zl; //压缩列表ziplist的总长度 unsigned int sz; /* ziplist size in bytes */ //ziplist中包的节点数,占16 bits长度 unsigned int count : 16; /* count of items in ziplist */ //表示是否采用了LZF压缩算法压缩quicklist节点,1表示压缩过,2表示没压缩,占2 bits长度 unsigned int encoding : 2; /* RAW==1 or LZF==2 */ //表示一个quicklistNode节点是否采用ziplist结构保存数据,2表示压缩了,1表示没压缩,默认是2,占2bits长度 unsigned int container : 2; /* NONE==1 or ZIPLIST==2 */ //标记quicklist节点的ziplist之前是否被解压缩过,占1bit长度 //如果recompress为1,则等待被再次压缩 unsigned int recompress : 1; /* was this node previous compressed? */ //测试时使用 unsigned int attempted_compress : 1; /* node can't compress; too small */ //额外扩展位,占10bits长度 unsigned int extra : 10; /* more bits to steal for future usage */ } quicklistNode;
相关配置
在redis.conf中的ADVANCED CONFIG部分:
list-max-ziplist-size -2 list-compress-depth 0
list-max-ziplist-size参数
我们来详细解释一下list-max-ziplist-size这个参数的含义。它可以取正值,也可以取负值。
当取正值的时候,表示按照数据项个数来限定每个quicklist节点上的ziplist长度。比如,当这个参数配置成5的时候,表示每个quicklist节点的ziplist最多包含5个数据项。
当取负值的时候,表示按照占用字节数来限定每个quicklist节点上的ziplist长度。这时,它只能取-1到-5这五个值,每个值含义如下:
-5: 每个quicklist节点上的ziplist大小不能超过64 Kb。(注:1kb => 1024 bytes)
-4: 每个quicklist节点上的ziplist大小不能超过32 Kb。
-3: 每个quicklist节点上的ziplist大小不能超过16 Kb。
-2: 每个quicklist节点上的ziplist大小不能超过8 Kb。(-2是Redis给出的默认值)
list-compress-depth参数
这个参数表示一个quicklist两端不被压缩的节点个数。注:这里的节点个数是指quicklist双向链表的节点个数,而不是指ziplist里面的数据项个数。实际上,一个quicklist节点上的ziplist,如果被压缩,就是整体被压缩的。
参数list-compress-depth的取值含义如下:
0: 是个特殊值,表示都不压缩。这是Redis的默认值。 1: 表示quicklist两端各有1个节点不压缩,中间的节点压缩。 2: 表示quicklist两端各有2个节点不压缩,中间的节点压缩。 3: 表示quicklist两端各有3个节点不压缩,中间的节点压缩。 依此类推…
Redis对于quicklist内部节点的压缩算法,采用的LZF——一种无损压缩算法。