Redis-如何减少修改字符串带来的内存分配过程消耗-深入理解

1、Redis字符串的特点

• 已知Redis的键值对的键是字符串对象，值也可以是字符串对象，值还可以是列表对象、哈希对象、集合对象、有序集合对象总共这五种对象。
• Redis的底层实现语言是经典的C语言，Redis的字符串定义与C语言的字符串定义有一些区别
  – 1、C语言的字符串对象是以空字符结尾的字符类型数组，有多少个字符该数组就是多大的
  – 2、Redis使用的是简单动态字符串（SDS, simple dynamic string）的抽象类型，SDS除了用来保存Redis的字符串对象之外，还可以用作缓冲区。

SDS的数据结构定义如下：

strcut sdshdr{
	int len;//用来保存数组中已使用字节的数量=SDS所保存的字符串的长度
	int free;//用来保存数组中未使用字节的数量
	int buf[];//字节数组，用来保存字符串。大小=len + free
}

SDS的结构用图像表示如下，以保存字符串"Redis"的一个SDS为例：

• 从中可以看出，free=0,表示该SDS的未使用空间大小为0；
• len=5，表示SDS的保存的字符串的大小为5字节；
• buf的属性是一个char类型的数组，其中保存了如上所示的字符，0个未使用字符空间，还要’结尾处的/0‘空字符。
• 如果要获取该SDS保存的字符串的长度，不用遍历字符串，直接使用len的值就行。获取长度方便，就能有效防止缓冲区溢出的风险，还能减少修改字符串（如拼接等操作）带来的内存重分配资源消耗

2、SDS如何实现减少修改字符串带来的内存重分配

结论：SDS使用空间预分配和惰性空间释放两种机制来避免标题所示问题

内存重分配：字符串拼接可能带来缓冲区溢出，字符串缩短可以造成内存泄露，这就需要对内存空间进行重分配，这种操作涉及到的算法复杂，可以需要执行系统级别的调用，所需要的资源和时间比较多，要尽量避免，可以使用空间换时间的策略。

（1）空间预分配

当对SDS的API对SDS进行修改，需要对SDS进行空间扩展的时候，会带来两个空间的扩展：所必须的字符串空间，额外的未使用空间

• len的长度<1MB时，分配的未使用空间大小=len
• len的长度>=1MB时，分配的未使用空间大小=1MB
• 也就是len<1MB的时候free=len，大于的时候free=1MB
  通过空间预分配策略，Redis可以减少连续执行字符串增长操作所需要的内存重分配次数。

//示例：
sdscat(s,"Tutorial");//将s和"Tutorial"字符串拼接

对标题1的SDS执行以上程序时，因为未使用字符串空间不够，将执行一次内存重分配操作：len修改为拼接之后的大小并填入数据，free变为13字节。

如果再次执行上述拼接代码，free空间够用，将不会产生内存重分配。

（2）惰性空间释放

惰性空间释放针对优化SDS的字符串缩短操作，当SDS的API需要缩短SDS所保存的字符串的时候，并不一定要立刻进行内存重分配来释放空闲出来的字节

• 将释放出来的字节转换为空闲字节,同时更新free属性的大小
• 此操作能避免缩短字符带来的内存重分配操作,还为可能的增长操作带来了缓存的空间

参考资料:<Redis设计与实现>第一章