Redis底层数据结构和value值的类型

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本文介绍了Redis中的主要数据结构，包括简单动态字符串(SDS)、链表、字典、跳跃表、整数集合、压缩列表及对象系统。深入探讨了每种数据结构的特点及其应用场景。

看到好多文章直接写Redis有5种数据结构，这种表达不准确，我根据《Redis设计与实现》中的内容进行了简单的整理。

Redis数据库里面的每个键值对都是有对象组成的，其中：

数据库键总是一个字符串对象
数据库值则可以使字符串对象、列表对象、哈希对象、集合对象、有序集合对象这5种对象中的其中一种

——《Redis设计与实现》

Redis 主要有7种数据结构： SDS（简单动态字符串）、链表、字典、跳跃表、整数集合、压缩列表、对象
Redis 对象系统包含5种对象：字符串对象、列表对象、哈希对象、集合对象、有序集合对象

底层数据结构：

SDS：

Redis没有直接使用C语言中传统字符串表示，而是实现了SDS（simple dynamic string）作为默认字符串表示。C字符串只会作为字符串字面量由于无需修改的地方，比如日志打印。
SDS的结构如下所示，该图展示的是一个代表“Redis”字符串的SDS。其中len和free的“5”单位是Byte。虽然SDS保留了C中的空字符‘/0’但是它不会被计算到len中。
SDS数据结构
比起C字符串，SDS具有以下优点：

常数复杂度获取字符串长度（由于len字段的存在）
杜绝缓冲区溢出（C在追加字符串时，会默认已经分配了足够的内存，所以如果没有分配足够的内存就会造成溢出；而SDS在执行修改的时候API会先检查SDS空间是否满足需求）
减少修改字符串长度时所需的内存重分配次数（空间预分配：当API对SDS进行修改，不仅会分配必要空间，还会分配额外空间，小于1MB时会分配和len大小相同的free，大于1MB会分配1MB的未使用空间；惰性空间释放：程序不立即使用内存重分配来回收缩短后多出来的字节，而是使用free属性记录）
二进制安全（C字符串使用‘/0’空字符来判断字符串是否结束，所以C字符串无法存储图像、音频等这样的二进制，而SDS使用len来判断字符串是否结束）
兼容部分C字符串函数

链表：

（这里dup、free、match都是函数）
链表特性：双端（每个节点都有前后指针）、无环（表头的prev和表尾next指向NULL）、带表头和表尾指针、带链表长度计数器、多态（链表可以保存各种不同类型的值）

字典：

字典的实现和hashMap很像。

rehash：

可以看到图中的ht[1]的这个哈希表是空的，当ht[0]中保存的键值对过大或过小时，就会为ht[1]分配空间进行rehash，如果是扩展操作，那么ht[1]的大小为第一个大于等于ht[0].used * 2 的2^n，如果是收缩操作，那么ht[1]的大小为第一个大于等于ht[0].used的2^n。rehash之后，ht[0]和ht[1]会互相调换。
字典的rehash是渐进式的，在进行渐进式rehash的过程中，字典会同时使用ht[0]和ht[1]两个哈希表，所以在渐进式rehash期间，字典的增删改查等操作会在两个哈希表上进行，例如查找一个键，会先去ht[0]查找，找不到就去ht[1]查找，新添加的键一律都是存到ht[1]中，ht[0]包含的键值只减不增。

跳跃表：

大部分情况下，跳跃表效率和平衡树媲美，实现又比平衡树简单，所以许多情况下会用跳跃表来代替平衡树。

每创建个跳跃表节点时，程序会根据幂次定律（越大的数出现概率越小）随机生成一个1~32之间的值作为层的高度大小，每个层都有前进指针和跨度。每个节点包含层、后退指针、分值、成员对象。

整数集合：

整数集合

升级：

每当一个新元素添加到整数集合里面，并且新元素类型比整数集合现在所有元素的类型都要长时，整数集合需要先进行升级，然后才能将新元素添加到整数集合里面。升级需要扩展底层数组空间大小，为新元素分配空间，并将所有元素转换成与新元素相同的类型。整数集合不支持降级。

压缩列表：

压缩列表是Redis为了节约内存而开发的，是由一系列特殊编码的连续内存块组成的顺序型数据结构。

压缩列表节点
压缩列表可能存在连锁更新的问题，但是发生的概率不高，所以对性能的影响几率很低。

对象：

Redis没有直接使用上述的这些底层数据结构来实现键值对数据库，而是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、有序集合对象**5种，每种对象都用到了至少一种上述的数据结构。Redis使用了基于引用计数的方式来实现内存回收；同时基于引用计数实现了对象共享机制。
Redis对象系统
type：一共有5种，REDIS_STRING、REDIS_LIST、REDIS_HASH、REDIS_SET、REDIS_ZSET
ptr：ptr指针指向对象的底层实现数据结构
encoding：ptr指向哪种数据结构由encoding属性决定
下图展示的是type和encoding的对应关系，即是在type确定时可以使用那些encoding配合：
type和encoding对应关系