Redis---字符串SDS（简单动态字符串）底层结构

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什么是SDS（简单动态字符串）

redis是由C语言编写的，但是redis在实现字符串中并没有采用传统C语言中的字符串表示（传统的C语言字符串是一个以空字符‘\0’结尾的字符数组char*），而是自己定义了一种叫做简单动态字符串（simple dynamic string, 简称SDS)的抽象类型，并用SDS用作redis默认的字符串表示。

SDS结构

Redis 5.0 及之后的版本

struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr {
    uint8_t len;        // 字符串的实际长度
    uint8_t alloc;      // 分配的总空间（不包括头部和结尾的 \0）
    unsigned char flags; // 标志位，用于标识 SDS 的类型
    char buf[];         // 存储字符串内容的柔性数组
};

• len：记录字符串的实际长度（不包括结尾的 \0）。

• alloc：记录分配的总空间（不包括头部和结尾的 \0）。

• flags：标志位，用于标识 SDS 的类型（如 SDS_TYPE_8、SDS_TYPE_16 等）。

• buf：存储字符串内容的动态数组，末尾会自动添加 \0，以兼容 C 语言的字符串函数。

新版SDS根据字符串的长度动态选择不同的类型：

• SDS_TYPE_5：长度小于 32。

• SDS_TYPE_8：长度小于 256。

• SDS_TYPE_16：长度小于 65536。

• SDS_TYPE_32：长度小于 2^32。

• SDS_TYPE_64：长度小于 2^64。

这种设计可以根据字符串的实际长度动态调整头部的大小，进一步节省内存。

SDS的优点

O(1) 时间复杂度获取字符串长度

C 语言的原生字符串需要通过遍历（strlen）来获取长度，时间复杂度为 O(n)。

SDS 直接通过 len 字段获取长度，时间复杂度为 O(1)。

避免缓冲区溢出

C 语言的原生字符串操作（如 strcat）容易导致缓冲区溢出。

// 将 src 字符串拼接到 dest 字符串后面
char *strcat(char *dest, const char* src);

C 语言的字符串是不会记录自身缓冲区大小的，所以 strcat 函数假定程序员在执行这个函数时，已经为 dest 分配了足够多的内存，可以容纳 src 字符串中的所有内容，而一旦这个假定不成立，就会发生缓冲区溢出可能会造成程序运行终止。

SDS 在修改字符串时会检查剩余空间（free），如果不足则自动扩展，避免溢出。

减少内存重分配次数

SDS 采用预分配空间的策略：

• 当字符串长度增加时，SDS 会额外分配一些未使用的空间（free），减少后续修改时的内存重分配次数。
• 例如，SDS 的扩容策略通常是：新长度小于 1MB 时，分配双倍空间；大于 1MB 时，额外分配 1MB。

二进制安全

C 语言的原生字符串以 \0 作为结束符，不能存储包含 \0 的二进制数据。因此其只能保存文本数据，不能保存图片，音频，视频和压缩文件等二进制数据，否则可能出现字符串不完整的问题，所以其是二进制不安全。

SDS 通过 len 字段记录长度，可以存储任意二进制数据，包括 \0。

兼容C语言字符串函数

SDS 的 buf 字段末尾会自动添加 \0，因此可以直接使用 C 语言的字符串函数（如 printf）。

SDS的操作

Redis 提供了一系列函数来操作 SDS，例如：

• 创建 SDS：sdsnew、sdsempty
• 追加字符串：sdscat
• 复制字符串：sdscpy
• 释放 SDS：sdsfree
• 获取长度：sdslen
• 获取剩余空间：sdsavail

总结

SDS 是 Redis 中用于表示字符串的底层数据结构，具有高效、安全、灵活的特点。它通过预分配空间、记录长度等方式，避免了 C 语言原生字符串的缺陷，同时兼容 C 语言的字符串函数。SDS 的设计是 Redis 高性能和高可靠性的重要基础之一。