Redis-对象（字符串对象、列表对象、哈希对象、集合对象、有序集合对象）

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Redis对象系统包括字符串、列表、哈希、集合和有序集合五种类型，每种类型至少有两种编码，如int、raw、embstr、ziplist和linkedlist等，以适应不同场景下的效率需求。对象的引用计数实现内存回收，当对象不再被引用时自动释放内存。此外，Redis还实现了对象共享，如0-9999的字符串对象会被多个键共享，节省内存。对象的lru属性记录最后访问时间，用于计算空转时长。

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第8章　对象

Redis基于这些数据结构创建了一个对象系统，这个系统包含字符串对象、列表对象、哈希对象、集合对象和有序集合对象这五种类型的对象象，每种对象都用到了至少两种我们前面所介绍的数据结构

通过这五种不同类型的对象，Redis可以在执行命令之前，根据对象的类型来判断一个对象是否可以执行给定的命令。使用对象的另一个好处是，我们可以针对不同的使用场景，为对象设置多种不同的数据结构实现，从而优化对象在不同场景下的使用效率

Redis的对象系统还实现了基于引用计数技术的内存回收机制，当程序不再使用某个对象的时候，这个对象所占用的内存就会被自动释放；另外，Redis还通过引用计数技术实现了对象共享机制，这一机制可以在适当的条件下，通过让多个数据库键共享同一个对象来节约内存

Redis的对象带有访问时间记录信息，该信息可以用于计算数据库键的空转时长，在服务器启用了maxmemory功能的情况下，空转时长较大的那些键可能会优先被服务器删除

8.1　对象的类型与编码

Redis使用对象来表示数据库中的键和值，每次当我们在Redis的数据库中新创建一个键值对时，我们至少会创建两个对象，一个对象用作键值对的键（键对象），另一个对象用作键值对的值（值对象）

Redis中的每个对象都由一个redisObject结构表示，该结构中和保存数据有关的三个属性分别是type属性、encoding属性和ptr属性

typedef struct redisObject {
    // 类型
    unsigned type:4;
    // 编码
    unsigned encoding:4;
    // 指向底层实现数据结构的指针
    void *ptr;
    // ...
} robj;

8.1.1　类型

对象的类型及TYPE如图所示

对于Redis数据库保存的键值对来说，键总是一个字符串对象，而值则可以是字符串对象、列表对象、哈希对象、集合对象或者有序集合对象的其中一种

8.1.2　编码和底层实现

对象的ptr指针指向对象的底层实现数据结构，而这些数据结构由对象的encoding属性决定

encoding属性记录了对象所使用的编码，也即是说这个对象使用了什么数据结构作为对象的底层实现

对象的编码如图所示

**每种类型的对象都至少使用了两种不同的编码，如图所示 **

不同编码的对象所对应的OBJECT ENCODING命令输出如图所示

通过encoding属性来设定对象所使用的编码，而不是为特定类型的对象关联一种固定的编码，极大地提升了Redis的灵活性和效率，因为Redis可以根据不同的使用场景来为一个对象设置不同的编码，从而优化对象在某一场景下的效率

8.2　字符串对象

字符串对象的编码可以是int、raw或者embstr

如果一个字符串对象保存的是整数值，并且这个整数值可以用long类型来表示，那么字符串对象会将整数值保存在字符串对象结构的ptr属性里面（将void*转换成long），并将字符串对象的编码设置为int

如果字符串对象保存的是一个字符串值，并且这个字符串值的长度大于32字节，那么字符串对象将使用一个简单动态字符串（SDS）来保存这个字符串值，并将对象的编码设置为raw

如果字符串对象保存的是一个字符串值，并且这个字符串值的长度小于等于32字节，那么字符串对象将使用embstr编码的方式来保存这个字符串值

字符串对象是Redis五种类型的对象中唯一一种会被其他四种类型对象嵌套的对象、

embstr编码是专门用于保存短字符串的一种优化编码方式，这种编码和raw编码一样，都使用redisObject结构和sdshdr结构来表示字符串对象，但raw编码会调用两次内存分配函数来分别创建redisObject结构和sdshdr结构，而embstr编码则通过调用一次内存分配函数来分配一块连续的空间，空间中依次包含redisObject和sdshdr两个结构，如图所示

embstr编码的字符串对象在执行命令时，产生的效果和raw编码的字符串对象执行命令时产生的效果是相同的，但使用embstr编码的字符串对象来保存短字符串值有以下好处：
- embstr编码将创建字符串对象所需的内存分配次数从raw编码的两次降低为一次
- 释放embstr编码的字符串对象只需要调用一次内存释放函数，而释放raw编码的字符串对象需要调用两次内存释放函数
- mbstr编码的字符串对象的所有数据都保存在一块连续的内存里面，所以这种编码的字符串对象比起raw编码的字符串对象能够更好地利用缓存带来的优势

可以用long double类型表示的浮点数在Redis中也是作为字符串值来保存的。如果我们要保存一个浮点数到字符串对象里面，那么程序会先将这个浮点数转换成字符串值，然后再保存转换所得的字符串值。在有需要的时候，程序会将保存在字符串对象里面的字符串值转换回浮点数值，执行某些操作，然后再将执行操作所得的浮点数值转换回字符串值，并继续保存在字符串对象里面

字符串对象保存各种不同类型的值所使用的编码方式

8.2.1　编码的转换

int编码的字符串对象和embstr编码的字符串对象在条件满足的情况下，会被转换为raw编码的字符串对象

Redis没有为embstr编码的字符串对象编写任何相应的修改程序（只有int编码的字符串对象和raw编码的字符串对象有这些程序），所以embstr编码的字符串对象实际上是只读的。当我们对embstr编码的字符串对象执行任何修改命令时，程序会先将对象的编码从embstr转换成raw，然后再执行修改命令

8.2.2　字符串命令的实现

8.3　列表对象

列表对象的编码可以是ziplist或者linkedlist

ziplist编码的列表对象使用压缩列表作为底层实现，每个压缩列表节点（entry ）保存了一个列表元素

linkedlist编码的列表对象使用双端链表作为底层实现，每个双端链表节点（node）都保存了一个字符串对象，而每个字符串对象都保存了一个列表元素

完整的字符串对象表示如图

8.3.1　编码转换

当列表对象可以同时满足以下两个条件时，列表对象使用ziplist编码
- 列表对象保存的所有字符串元素的长度都小于64字节
- 列表对象保存的元素数量小于512个
不能满足这两个条件的列表对象需要使用linkedlist编码

8.3.2　列表命令的实现

8.4　哈希对象

哈希对象的编码可以是ziplist或者hashtable

ziplist编码的哈希对象使用压缩列表作为底层实现，每当有新的键值对要加入到哈希对象时，程序会先将保存了键的压缩列表节点推入到压缩列表表尾，然后再将保存了值的压缩列表节点推入到压缩列表表尾；因此，保存了同一键值对的两个节点总是紧挨在一起，保存键的节点在前，保存值的节点在后；先添加到哈希对象中的键值对会被放在压缩列表的表头方向，而后来添加到哈希对象中的键值对会被放在压缩列表的表尾方向
hashtable编码的哈希对象使用字典作为底层实现，哈希对象中的每个键值对都使用一个字典键值对来保存：
- 字典的每个键都是一个字符串对象，对象中保存了键值对的键；
- 字典的每个值都是一个字符串对象，对象中保存了键值对的值。

8.4.1　编码转换

当哈希对象可以同时满足以下两个条件时，哈希对象使用ziplist编码
- 哈希对象保存的所有键值对的键和值的字符串长度都小于64字节
- 哈希对象保存的键值对数量小于512个
不能满足这两个条件的哈希对象需要使用hashtable编码

8.4.2　哈希命令的实现

8.5　集合对象

集合对象的编码可以是intset或者hashtable

intset编码的集合对象使用整数集合作为底层实现，集合对象包含的所有元素都被保存在整数集合里面
hashtable编码的集合对象使用字典作为底层实现，字典的每个键都是一个字符串对象，每个字符串对象包含了一个集合元素，而字典的值则全部被设置为NULL

8.5.1　编码的转换

当集合对象可以同时满足以下两个条件时，对象使用intset编码
- 集合对象保存的所有元素都是整数值
- 集合对象保存的元素数量不超过512个
不能满足这两个条件的集合对象需要使用hashtable编码

8.5.2　集合命令的实现

8.6　有序集合对象

有序集合的编码可以是ziplist或者skiplist

ziplist编码的压缩列表对象使用压缩列表作为底层实现，每个集合元素使用两个紧挨在一起的压缩列表节点来保存，第一个节点保存元素的成员（member），而第二个元素则保存元素的分值（score）

压缩列表内的集合元素按分值从小到大进行排序，分值较小的元素被放置在靠近表头的方向，而分值较大的元素则被放置在靠近表尾的方向
zset结构中的zsl跳跃表按分值从小到大保存了所有集合元素，每个跳跃表节点都保存了一个集合元素：跳跃表节点的object属性保存了元素的成员，而跳跃表节点的score属性则保存了元素的分值。zset结构中的dict字典为有序集合创建了一个从成员到分值的映射，字典中的每个键值对都保存了一个集合元素：字典的键保存了元素的成员，而字典的值则保存了元素的分值。

虽然zset结构同时使用跳跃表和字典来保存有序集合元素，但这两种数据结构都会通过指针来共享相同元素的成员和分值

无论单独使用字典还是跳跃表，在性能上对比起同时使用字典和跳跃表都会有所降低。

**有序集合需要同时使用跳跃表和字典来实现的原因：**使用字典来以O(1)复杂度查找成员的
分值这一特性(但字典以无序的方式来保存集合元素，所以每次在执行范围型操作，都需要对字典保存的所有元素进行排序，完成这种排序需要至少O（NlogN）时间复杂度，以及额外的O（N）内存空间)；使用跳跃表来执行范围型操作。且两者会通过指针来共享相同元素的成员和分值。提高了性能

使用跳跃表和字典的有序集合如图所示：

8.6.1　编码的转换

当有序集合对象可以同时满足以下两个条件时，对象使用ziplist编码：
- 有序集合保存的元素数量小于128个
- 有序集合保存的所有元素成员的长度都小于64字节
不能满足以上两个条件的有序集合对象将使用skiplist编码

8.6.2　有序集合命令的实现

8.7　类型检查与命令多态

Redis中用于操作键的命令基本上可以分为两种类型
- 其中一种命令可以对任何类型的键执行，比如DEL命令
- 另一种命令只能对特定类型的键执行，比如SET、GET、APPEND、STRLEN等命令只能对字符串键执行等等

8.7.1　类型检查的实现

为了确保只有指定类型的键可以执行某些特定的命令，在执行一个类型特定的命令之前，Redis会先检查输入键的类型是否正确，然后再决定是否执行给定的命令

类型特定命令所进行的类型检查是通过redisObject结构的type属性来实现的
- 在执行一个类型特定命令之前，服务器会先检查输入数据库键的值对象是否为执行命令所需的类型
- 否则，服务器将拒绝执行命令，并向客户端返回一个类型错误

8.7.2　多态命令的实现

Redis除了会根据值对象的类型来判断键是否能够执行指定命令之外，还会根据值对象的编码方式，选择正确的命令实现代码来执行命令

例如在执行LLEN命令时，服务器除了要确保执行命令的是列表键之外，还需要根据键的值对象所使用的编码来选择正确的LLEN命令实现：

 - 如果列表对象的编码为ziplist，程序将使用ziplistLen函数来返回列表的长度
 - 如果列表对象的编码为linkedlist，程序将使用listLength函数来返回双端链表的长度

DEL、EXPIRE等命令和LLEN等命令的区别在于，前者是基于类型的多态——一个命令可以同时用于处理多种不同类型的键，而后者是基于编码的多态——一个命令可以同时用于处理多种不同编码。

8.8　内存回收

Redis在自己的对象系统中构建了一个引用计数（reference counting）技术实现的内存回收机制，通过这一机制，程序可以通过跟踪对象的引用计数信息，在适当的时候自动释放对象并进行内存回收

每个对象的引用计数信息由redisObject结构的refcount属性记录：

typedef struct redisObject {
    // ...
    // 引用计数
    int refcount;
    // ...
} robj;

对象的引用计数信息会随着对象的使用状态而不断变化：
- 在创建一个新对象时，引用计数的值会被初始化为1
- 当对象被一个新程序使用时，它的引用计数值会被增一
- 当对象不再被一个程序使用时，它的引用计数值会被减一
- 当对象的引用计数值变为0时，对象所占用的内存会被释放

8.9　对象共享

除了用于实现引用计数内存回收机制之外，对象的引用计数属性还带有对象共享的作用

在Redis中，让多个键共享同一个值对象需要执行以下两个步骤
1. 将数据库键的值指针指向一个现有的值对象
2. 将被共享的值对象的引用计数增一

目前来说，Redis会在初始化服务器时，创建一万个字符串对象，这些对象包含了从0到9999的所有整数值，当服务器需要用到值为0到9999的字符串对象时，服务器就会使用这些共享对象，而不是新创建对象；这些共享对象不单单只有字符串键可以使用，那些在数据结构中嵌套了字符串对象的对象（linkedlist编码的列表对象、hashtable编码的哈希对象、hashtable编码的集合对象，以及zset编码的有序集合对象）都可以使用这些共享对象