Redis系列之——深入了解Redis的String，源码层级+极易理解图片解析！

最新推荐文章于 2024-08-14 16:18:17 发布
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文章标签： redis 数据库 缓存
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Redis的数据结构

Redis最常用的数据类型有五种

  • String: 字符串
  • Hash: 散列
  • List: 列表
  • Set: 集合
  • Sorted Set: 有序集合

五种其实是Redis键值对中值存储的数据类型，而他们的底层数据结构一共有6种：分别是

  • 简单动态字符串
  • 双向链表
  • 压缩列表
  • 哈希表
  • 跳表
  • 整数数组

数据类型和数据结构的对应关系如下图：

这张图会在未来几篇文章中反复出现，帮大家彻底了解Redis的基础类型。

今天我们就来聊一聊其中的string

Redis是用C写的，那为什么不用C语言的String?

众所周知，Redis是用C语言写的，那Redis为什么没有使用C原生的字符串，而是自己创建了一个简单动态字符串？（SDS simple dynamic string）

  • C语言的字符串底层是用字符数组来实现的，在一片连续的空间中依次存放字符，为了判断字符的结束，他会在最后以'\0'作为识别,这样就会带来以下问题

    1. 无法存放任意的字符，至少'\0'是不可以的，这就会导致一些如图片，音频等出现了'\0'就会出现问题。
    2. 对字符串进行追加等操作的时候，必须遍历到'\0'才可以操作，会导致效率比较低，复杂度为o(n)

  • C语言的字符串是不记录字符串长度的，一旦我们调用了拼接函数等，而没有提前计算好内存，就会产生缓冲区溢出的情况，所以为了不出问题，会进行内存重分配，而这又多出了内存重分配的性能损耗。

那么，Redis是怎么处理这些问题的呢？

简单动态字符串（Redis5.0版本）

Redis中的字符串数据是通过简单动态字符串（以下简称SDS）来存储数据的。

SDS到底是什么？

我们先来看看SDS的结构长什么样

  • len：表示buf的已用长度。（sdshdr8中占1个字节）
  • alloc：表示分配给buf的总长度，不包括结构体和'\0'结束字符。（sdshdr8中占1个字节）
  • flags: SDS类型。（sdshdr8中占一个字节）
  • 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“\0”，这就会额外占用 1 个字节的开销。（nycdf--> 你也才掉发是我在这里写的示例，代表存储的某个数据）

你丫才掉发小课堂--详解SDS类型

SDS 结构中的字段 flags，表示的是SDS的类型。在Redis中SDS一共设计了5种类型，分别是

  • sdshdr5（未使用）
  • sdshdr8
  • sdshdr16
  • sdshdr32
  • sdshdr64

这5种类型的主要区别就在于，它们数据结构中的len和alloc，这两个字段占据的大小不同，也就是这个结构体能存储的长度不同。下面他们是结构体的源码：

从源码我们可以看出来，其实最大的不同就是len和alloc所代表的字节数不同，那么比如sdshdr8中这2个字段的类型uint8_t,也就是这个类型结构最大存储的字符长度为256（2的8次方），其他的以此类推。

这样的设计目的:Redis是基于内存的，而内存永远都是珍贵的资源，每一个字节都很重要，所以针对不同大小的字符串使用不同的结构，也是为了节省内存资源。

在SDS中，除了上面解释过的flags，对比于C传统的char[],SDS新增了2个参数，实际占用长度len 和总分配长度alloc。

SDS解决了什么问题呢？

1. 获取字符串长度的复杂度问题

上面我们说过，c语言遍历一下字符串的复杂度是o(n)。

对于SDS来说，我们有了长度的参数，那么我们的复杂度就是o(1)，这样在进行拼接等操作的时候不需要再次遍历了。

2. 存储二进制数据

C字符串不能存储二进制数据的原因是只能根据'\0'来判断数据是否结束，不能保证其完整性，但因为SDS的len属性，无论你数据里有多少'\0'都没关系，我是根据 len 属性值来判断数据长度的，必定是完整的，所以SDS可以安全地存储二进制数据，这样图片音频等二进制数据也可以存储。

你丫才掉发小课堂

Q:SDS你都有len了，那为啥还要跟C字符串一样在字符串后面加'\0'，是不是多此一举了？

A:SDS如果保持和C字符串一样的特性，就不用专门编写多余的函数了，在一定的情况下可以直接用C语言的函数，避免了不必要的重写。

3. 分配内存空间问题

上面还在存在一个问题是在使用拼接等操作的时候C语言是需要重分配空间的，而这个又是非常的消耗资源。SDS提供的2个特性就是空间预分配 和 惰性空间释放

空间预分配

空间预分配源码

在真正执行拼接等操作之前，会先计算下空间是否满足

  1. 如果计算后的SDS的长度(源码中的newLen)小于1MB，那么就会分配和len属性同样大的未使用空间，相当于将原数组长度乘以二。

  1. 如果计算后的SDS的长度(源码中的newLen)大于或等于1MB，那么就会分配固定的1MB未使用空间。

所以当有N次拼接操作时候，一定需要N次的内存重分配操作，现在最多只需要N次。

比如你第一次拼接后，剩余的长度（alloc - len）就大于后续要拼接的字符串长度之和了，那其实就只有1次内存重分配操作，就可以进行至少2次拼接操作，所以说最多N次,这也就可以省下很多分配空间的消耗。

惰性空间释放

当有缩短SDS字符串操作时，程序并不立即把空闲出来的字节释放掉，而是留给到惰性删除策略等机制释放。

具体的表现就是：

在做删除操作的时候，当删掉N个字符后，alloc-len（也就是剩余空间）就增加N，换个说法，就是你删除的字符并没有立即被系统回收，这样当你短时间内再次拼接的时候，就不会申请空间分配了。

只有到了对应策略或者手动去删除的时候才会执行以下的代码：

代码的逻辑就是删除多余的空间直到没有浪费为止。

有了SDS,就万事大吉了么？

前面我们聊完了SDS，已经大概的知道了SDS是什么样的，解决了什么问题，这里给大家提出一些更深层的问题:

  1. 如果我的string是数字，Redis也按照字符串存储么？
  2. string在Redis中就是只有SDS就可以落地了么,有没有别的结构支撑？
  3. SDS最大支持存储长度为2的64次方的数组，这些超长的字符串他们是怎么存储的？

初识RedisObject

在我们真实使用Redis中string的时候，除了SDS的存储空间，还存在一个Redis本身的结构体，也就是RedisObject。

RedisObject存储空间

以上是RedisObject源码，

  • type:redisObject的数据类型，4个bits
  • encoding:redisObject的编码类型，4个bits
  • lru:LRU_BITS:redisObject的LRU时间，LRU_BITS为24个bits
  • refcount:redisObject的引用计数，4个字节
  • *ptr:指向值的指针，8个字节

为了形象的展示占据的大小：

RedisObject和String

这里暂时不对RedisObject展开讲，我们来看看当RedisObject和SDS在一起的时候大概是个什么样子？

上图表示的就是普通情况下RedisObject和SDS的关系。

作为Redis最常用的结构之一,针对String也做了很多的优化

1. 数字类型的字符串

对于数字类型的字符串，Redis在RedisObjec中的指针就直接赋值为整数数据了，这么指针的开销就省去了。

2. embstr编码方式（embed:嵌入式）

在保存的是字符串数据，如果字符串小于等于44字节时（为什么是44呢？读到这里可以思考一下），Redis就会将RedisObjec和SDS构建成一块连续的内存区域，既可以提升查询的速度（少了一次指针的跳转），也可以防止内存碎片的产生。

我们先来看下这里判断的源码：

  • 当字节数小于44，调用createEmbeddedStringObject
  • 当字节数大于44，调用createRawStringObject

这里我们来看下createEmbeddedStringObject的部分源码

这里做的事情核心

  1. 先分配一段连续的内存空间（RedisObject+SDS+1的长度，这里的1是为了字符串最后的`'\0'），并创建RedisObject和SDS的机构。
  2. 将RedisObject的ptr指针指向字符数组的开始。（细节！！！！）
  3. 拷贝字符串到SDS的buf[]中。

这个时候内存块包含如下几部分：

  • 16个字节的robj结构。
  • 3个字节的sdshdr8头。
  • 最多44个字节的sds字符数组。
  • 1个'\0'结束符。

3. raw编码模式

在保存的是字符串数据，字符串大于44字节时，Redis就不像embstr编码方式一样把RedisObject和SDS存放在一起，这时RedisObject中的*ptr就会发挥真正的作用，Redis在内存中重新分配一块空间给SDS，并用*ptr指向这个SDS。

这里我们来看下createRawStringObject的部分源码

 

这里就比较简单了，一共做了这2件事：

  1. 先使用sdsnewlen返回SDS结构的指针
  2. 将SDS指针赋值给RedisObject中的指针

最后再给大家把所有的编码格式放一起汇总一下：👇

java_lujj
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