「一发入魂」Redis五大数据类型实现原理-优快云博客

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本章内容

Redis对象

Redis使用对象来表示数据库中的键和值。在数据库中创建一个键值对，至少需要创建两个对象：1）键对象；2）值对象。每个对象通过redisObject结构来表示。

redisObject结构：

typedef struct redisObject{
    // 类型
    unsigned type:4;
    // 编码
    unsigned encoding:4;
    // 指向底层数据结构的指针
    void *ptr;
    // 引用计数
    int refcount;
    // 记录最后一次被访问的时间
    unsigned lru:22;
} robj;

其中：

type：对象类型。
encoding：对象编码。
ptr：指向底层数据结构的指针。
refcount：引用计数。
lru：最后一次被访问的时间。

Redis对象属性

对象类型

对象类型（type属性）查看命令：

type key

对象类型种类：

对象编码与ptr指针

对象编码（encoding属性）查看命令：

object encoding key

对象编码用来指定数据结构，而ptr指针用来指向底层数据结构。

对象编码与数据结构对应关系：

在Redis对象中，每种对象类型至少对应两种不同的编码：

引用计数

1）内存回收

Redis对象中的refcount属性（引用计数）用于实现内存回收。

Redis采用引用计数法实现内存回收：

1）创建一个新对象，refcount属性值初始化为1。
2）对象被一个程序使用，refcount属性值加1。
3）对象不再被一个程序使用，refcount属性值减1。
4）当对象的引用计数值变为0时，对象所占用的内存就会被释放。

2）内存共享

Redis对象中的refcount属性除了能实现内存回收外，还可以用于内存共享。

如：执行命令set k1 100，创建一个key为k1、值为100的字符串对象，再执行命令set k2 100。

Redis的处理方式：

1）将k2的值指针指向一个已经存在的值对象（k1的值：100）；
2）将被共享的值对象（redisObject）的refcount属性值+1。

注意：Redis的共享对象目前只支持整数值的字符串对象。

最后一次被访问时间

1）计算对象空转时长

Redis对象中的lru属性记录了对象最后一次被命令程序访问的时间。

对象空转时长查看命令：

127.0.0.1:6379> object idletime prices
(integer) 2863

对象空转时长=当前时间-lru属性记录的时间。

2）配合内存回收

Redis对象中的lru属性除了计算对象空转时长以外，还可以配合内存回收。

当Redis开启maxmemory选项，且内存回收算法为volatile-lru或allkeys—lru时，如果内存占用超过maxmemory参数设定的值，那么Redis会优先释放空转时间最长的对象。

字符串对象

字符串是Redis中最基本的数据类型，所有的key以及其他几种数据类型构成的元素都是字符串。字符串的长度不能超过512M。

字符串对象对应的编码有三种：

int：保存long类型的整数值。
embstr：保存长度小于44个字节的字符串。
raw：保存长度大于44个字节的字符串。

embstr和raw的区别：

对象编码为embstr时，只需为对象分配一次内存空间（redisObject和sds连续存储）。
对象编码为raw时，需要为对象分配两次内存空间（redisObject和sds各分配一次内存空间）。

如图所示：

embstr编码的优点：

创建时少分配一次内存空间，删除时少释放一次内存空间。
对象的所有数据连在一起，寻找方便。

embstr编码的缺点：

当字符串长度增加需要重新分配内存时，整个redisObject和sds都需要重新分配内存。因此，Redis中embstr为只读。

编码转换：

1）使用int编码时，若保存的值不再是整数或者整数大小超过long的范围，Redis会自动将int编码转化为raw编码。
2）使用embstr编码时，由于Redis中embstr为只读，若修改embstr编码对应的对象，Redis会先将embstr编码转化为raw编码，再进行修改。因此，只要修改embstr编码对应的对象，无论长度是否达到44个字节，修改后对象的编码都会变成raw。

列表对象

列表对象是一个按顺序排序、可以从头部或尾部添加元素的列表，它的底层是一个链表结构。

列表对象对应的编码有两种：

ziplist：压缩列表。
linkedlist：双端链表。

例如：创建一个key为java，value为hello world的列表。执行命令：

127.0.0.1:6379> rpush java hello world
(integer) 2
127.0.0.1:6379> lpop java 2
1) "hello"
2) "world"

如图所示：

当列表对象同时满足以下两个条件时，使用ziplist编码，否则使用linkedlist编码：

1）列表中每个元素长度小于64字节。
2）列表中保存元素个数小于512。

以上两个条件通过设置redis.conf配置文件中list-max-ziplist-value和list-max-ziplist-entries参数值进行配置。

哈希对象

哈希对象是一个键值对集合，键是一个字符串，值是一个健值对集合。

哈希对象对应的编码有两种：

ziplist：压缩列表。
hashtable：字典。

例如：创建一个key为java，value为name Json，age 27的哈希表。执行命令：

127.0.0.1:6379> hset java name Json
(integer) 1
127.0.0.1:6379> hset java age 27
(integer) 1
127.0.0.1:6379> hget java name
"Json"
127.0.0.1:6379> hget java age
"27"

如图所示：

当哈希对象同时满足以下两个条件时，使用ziplist编码，否则使用hashtable编码：

1）哈希表中每个元素长度小于64字节。
2）哈希表中保存元素个数小于512。

以上第二个条件通过设置redis.conf配置文件中set-max-intset-entries参数值进行配置。

集合对象

集合对象是一个字符串类型的无序集合。

集合与列表的区别：

集合中的元素无序，不能通过索引来操作元素；列表中的元素有序，可以通过索引操作元素。
集合中的元素不能有重复；列表中的元素可重复。

集合对象对应的编码有两种：

intset：整数集合。
hashtable：字典。

例如：创建一个key为people，value为Json 27 male的无序集合。执行命令：

127.0.0.1:6379> sadd nums 1 2 3
(integer) 3
127.0.0.1:6379> smembers nums
1) "1"
2) "2"
3) "3"
127.0.0.1:6379>

如图所示：

例如：创建一个key为people，value为Json 27 male的无序集合。执行命令：

127.0.0.1:6379> sadd people Json 27 male
(integer) 3
127.0.0.1:6379> smembers people
1) "27"
2) "male"
3) "Json"
127.0.0.1:6379>

如图所示：

当集合对象同时满足以下两个条件时，使用intset编码，否则使用hashtable编码：

1）集合中所有元素都是整数。
2）集合中所有元素数量小于512。

以上第二个条件通过设置redis.conf配置文件中set-max-intset-entries参数值进行配置。

有序集合对象

有序集合对象是一个字符串类型且有序的集合，每个元素关联一个分数（score），其中元素不允许重复，但分数可以重复。

有序集合对象对应的编码有两种：

ziplist：压缩列表。
skiplist：zset结构。

zset结构：

typedef struct zset{
    //跳跃表
    zskiplist *zsl;
    //字典
    dict *dice;
} zset;

其中：

跳跃表节点的object属性保存元素，跳跃表节点的score属性保存元素关联的的分数。
字典的键保存元素，字典的值保存元素关联的分数。

这两种数据结构通过指针来共享相同元素和分数，因此，不会产生重复元素。

有序集合单独使用跳跃表或字典实现，同时使用跳跃表和字典的原因：

如果单独使用字典，虽然能以O(1)的时间复杂度查找元素关联的分数，但是字典是以无序的方式来保存元素，每次进行范围操作时都需要进行排序。
如果单独使用跳跃表，虽然能执行范围操作，但是查找元素关联的分数时复杂度由O(1)变成了O(logN)。

例如：创建一个key为price，value为6.5 apple，5.0 banana的有序集合。执行命令：

127.0.0.1:6379> zadd prices 6.5 apple 5.0 banana
(integer) 2
127.0.0.1:6379> zrangebyscore prices 5.0 7.0
1) "banana"
2) "apple"

如图所示：

注意：有序集合中的元素会按照元素关联的分数从小到大进行存储。

当有序集合对象同时满足以下两个条件时，使用ziplist编码，否则使用skiplist编码：

1）有序集合中每个元素长度小于64字节。
2）有序集合中所有元素数量小于128。

以上两个条件通过设置redis.conf配置文件中zset-max-ziplist-entries和zset-max-ziplist-value参数值进行配置。