1、场景介绍

假设现在我们要开发一个图片存储系统，要求这个系统能够根据图片 ID 快速查找到图片存储对象 ID。图片 ID 和图片存储对象 ID 的样例数据如下：

photo_id: 1101000060
photo_obj_id: 3302000080

在这种场景下，图片 ID 和图片存储对象 ID 刚好是一对一的关系，是典型的“键 - 单值”模式，redis 的 String 类型提供了“一个键对应一个值的数据”的保存形式，在这种场景下刚好适用。

确定使用 String 类型后，接下来我们通过实战，来看看它的内存使用情况。首先通过下面命令连接上 Redis。

本文我使用的 Redis Server 及下文源码都是 6.2.4 版本。

redis-cli -h 127.0.0.1 -p 6379

然后执行下面的命令查看 Redis 的初始内存使用情况。

127.0.0.1:6379> info memory
# Memory
used_memory:871840

接着插入 10 条数据：

10.118.32.170:0> set 1101000060 3302000080
10.118.32.170:0> set 1101000061 3302000081
10.118.32.170:0> set 1101000062 3302000082
10.118.32.170:0> set 1101000063 3302000083
10.118.32.170:0> set 1101000064 3302000084
10.118.32.170:0> set 1101000065 3302000085
10.118.32.170:0> set 1101000066 3302000086
10.118.32.170:0> set 1101000067 3302000087
10.118.32.170:0> set 1101000068 3302000088
10.118.32.170:0> set 1101000069 3302000089

再次查看内存：

127.0.0.1:6379> info memory
# Memory
used_memory:872528

可以看到，存储 10 个图片，内存使用了 688 个字节。一个图片 ID 和图片存储对象 ID 的记录平均用了 68 字节。

但问题是，一组图片 ID 及其存储对象 ID 的记录，实际只需要 16 字节就可以了。图片 ID 和图片存储对象 ID 都是 10 位数，而 8 字节的 Long 类型最大可以表示 2 的 64 次方的数值，肯定可以表示 10 位数。这样算下来只需 16 字节就可以了，为什么 String 类型却用了 68 字节呢？

为了一探究竟，我们不得不从 String 类型的底层实现扒起。

2、String 类型的底层实现

当你保存的数据中包含字符时，String 类型就会用简单动态字符串（Simple Dynamic String，SDS）结构体来保存。

2.1 SDS

SDS 的结构定义在sds.h文件中，在 Redis 3.2 版本之后，SDS 由一种数据结构变成了 5 种数据结构。

/* 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__)) hisdshdr5 {
    unsigned char flags; /* 3 lsb of type, and 5 msb of string length */
    char buf[];
};
struct __attribute__ ((__packed__)) hisdshdr8 {
    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[];
};
struct __attribute__ ((__packed__)) hisdshdr16 {
    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__)) hisdshdr32 {
    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__)) hisdshdr64 {
    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[];
};

这 5 种数据结构依次存储不同长度的内容，Redis 会根据 SDS 存储的内容长度来选择不同的结构。

• • sdshdr5：存储大小为 32 字节（2 的 5 次方），只被应用在了 Redis 中的 key 中。
• • sdshdr8：存储大小为 256 字节（2 的 8 次方）。
• • sdshdr16：存储大小为 64KB（2 的 16 次方）。
• • sdshdr32：存储大小为 4GB（2 的 32 次方）。
• • sdshdr64：存储大小为 2 的 64 次方字节。

以 sdshdr8 为例。

• • buf：字节数组，保存实际数据。为了表示字节数组的结束，Redis 会自动在数组最后加一个''，这就会额外占用 1 个字节的开销。
• • len：占 4 个字节，表示 buf 的已用长度，不包括''。
• • alloc：也占 4 个字节，表示 buf 的实际分配长度，不包括''。
• • flags：占 1 个字节，标记当前字节数组的属性，是sdshdr8还是sdshdr16等。（flags 值的定义可以看下面代码）

在源码sds.h中，flags 值定义如下：

#define HI_SDS_TYPE_5  0 
#define HI_SDS_TYPE_8  1
#define HI_SDS_TYPE_16 2
#define HI_SDS_TYPE_32 3
#define HI_SDS_TYPE_64 4

2.2 RedisObject

因为 Redis 的数据类型有很多，而且，不同数据类型都有些相同的元数据要记录，所以，值对象并不是直接存储，而是被包装成redisObject对象，它的定义如下。

typedef struct redisObject {
    unsigned type:4;//对象类型（4位=0.5字节）
    unsigned encoding:4;//编码（4位=0.5字节）
    unsigned lru:LRU_BITS;//记录对象最后一次被应用程序访问的时间（24位=3字节）
    int refcount;//引用计数。等于0时表示可以被垃圾回收（32位=4字节）
    void *ptr;//指向底层实际的数据存储结构，如：sds等(8字节)
} robj;

下面可以帮助我们理解：

为了节省内存空间，Redis 还做了一些优化。

当保存的是 Long 类型整数时，RedisObject 中的指针就直接赋值为整数数据了，这样就不用额外的指针再指向整数了。这种保存方式通常也叫作 int 编码方式。

当保存的是字符串数据，并且字符串小于等于 44 字节时，RedisObject 中的元数据、指针和 SDS 是一块连续的内存区域，这样就可以避免内存碎片。这种布局方式也被称为 embstr 编码方式。

当字符串大于 44 字节时，SDS 的数据量就开始变多了，Redis 就不再把 SDS 和 RedisObject 布局在一起了，而是会给 SDS 分配独立的空间，并用指针指向 SDS 结构。这种布局方式被称为 raw 编码模式。

使用 OBJECT ENCODING 命令可以查看一个数据库键的值对象的编码：

127.0.0.1:6379> SET msg "hello world"
OK
127.0.0.1:6379> OBJECT ENCODING msg
"embstr"
127.0.0.1:6379> SET story "long long long ago..."
OK
127.0.0.1:6379> OBJECT ENCODING story
"raw"
127.0.0.1:6379> SADD numbers 1 3 5
(integer) 3
127.0.0.1:6379> OBJECT ENCODING numbers
"intset"
127.0.0.1:6379> SADD numbers "seven"
(integer) 1
127.0.0.1:6379> OBJECT ENCODING numbers
"hashtable"

注意这个命令SET story "long long long ago..."，省略号指的是省略了很多字符。

知道了 SDS 和 RedisObject 额外元数据开销，现在，我们就可以计算 String 类型的内存使用量了。

图片存储对象 ID 是 Long 类型整数，所以可以直接用 int 编码的 RedisObject 保存。每个 int 编码的 RedisObject 元数据部分占 8 字节，指针部分被直接赋值为 8 字节的整数了。图片 ID 使用 sdshdr5 数据结构来保存，会为 10 位的图片 ID 分配 16 个字节，结束符 '' 占 1 个字节。

共占用 34 个字节。与上文所说的一个图片 ID 和图片存储对象 ID 的记录平均用了 68 字节相差有点大啊，另外的开销去哪儿了？

2.3 全局哈希表

为了实现从键到值的快速访问，Redis 使用了一个哈希表来保存所有键值对。因为这个哈希表保存了所有的键值对，所以，也称为全局哈希表。哈希表的每一项是一个 dictEntry 的结构体，用来指向一个键值对。dictEntry 结构中有三个 8 字节的指针，分别指向 key、value 以及下一个 dictEntry，三个指针共 24 字节，如下图所示：

jemalloc 在分配内存时，会分配一个最接近 2 的 N 次方的数值。举个例子。如果你申请 6 字节空间，jemalloc 实际会分配 2 的 4 次方即 8 字节空间；如果你申请 24 字节空间，jemalloc 则会分配 32 字节。

最终我们分析出来的内存开销，为 66 字节，比较接近上文场景中的平均值 68 了。

最后

既然 String 类型这么占内存，那么你有好的方案来节省内存吗？

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参考资料

• • 文中的一些命令，参考菜鸟教程：https://www.runoob.com/redis/redis-tutorial.html
• • Redis 的 key 也是 SDS 类型的，参考：https://www.cnblogs.com/lonely-wolf/p/14261486.html
• • SDS 的定义，参考：https://juejin.cn/post/6844903936520880135#heading-6
• • 文章大纲，参考极客时间《Redis核心技术与实战》
• • 《Redis设计与实现》