Redis 各类型的底层数据结构及详解

Redis 是一个高性能的内存数据存储系统,支持多种数据类型,每种数据类型在底层都有其特定的数据结构实现。以下是 Redis 中主要数据类型的底层数据结构及其详解:

1. 字符串 (String)

底层数据结构
简单动态字符串 (SDS):Redis 中的字符串类型使用简单动态字符串(Simple Dynamic String, SDS)来存储。SDS 是一个动态字符串库,它允许 Redis 高效地进行字符串操作。

SDS 结构
`len`:字符串的当前长度。
`alloc`:字符串的分配长度(不包括空终止符)。
`flags`:字符串的类型标志。
`buf`:字符数组,存储实际的字符串内容。

优点
高效的字符串操作:SDS 提供了高效的内存分配和释放机制,避免了频繁的内存重分配。
二进制安全:SDS 可以存储任意二进制数据,而不仅仅是文本。

示例:

struct sdshdr {
    int len;    // 当前字符串长度
    int alloc;  // 分配的内存大小
    unsigned char flags; // 类型标志
    char buf[]; // 字符数组
};

2. 列表 (List)

底层数据结构
双向链表 (Linked List):在 Redis 3.2 版本之前,列表类型使用双向链表来存储。
压缩列表 (ziplist):当列表中的元素较少且元素长度较小时,Redis 使用压缩列表来存储。
快速列表 (quicklist):从 Redis 3.2 版本开始,列表类型使用快速列表来存储。快速列表是双向链表和压缩列表的混合体,它将多个压缩列表节点链接在一起。

双向链表结构
`head`:指向链表头节点的指针。
`tail`:指向链表尾节点的指针。
`len`:链表的长度。
`dup`:复制函数指针。
`free`:释放函数指针。
`match`:匹配函数指针。

压缩列表结构
`zlbytes`:压缩列表的总字节数。
`zltail`:最后一个元素的偏移量。
`zllen`:元素的数量。
`entryX`:压缩列表的元素。
`zlend`:压缩列表的结束标志。

快速列表结构
`head`:指向快速列表头节点的指针。
`tail`:指向快速列表尾节点的指针。
`len`:快速列表的长度。
`count`:所有压缩列表节点的总元素数量。
`compress`:压缩深度。

优点
高效的插入和删除操作:双向链表和快速列表都支持高效的插入和删除操作。
节省内存:压缩列表和快速列表在元素较少时可以节省内存。

3. 集合 (Set)

底层数据结构
整数集合 (intset):当集合中的所有元素都是整数且元素数量较少时,Redis 使用整数集合来存储。
哈希表 (Hash Table):当集合中的元素较多或元素不是整数时,Redis 使用哈希表来存储。

整数集合结构
`encoding`:编码方式(16位、32位、64位)。
`length`:集合中元素的数量。
`contents`:存储整数的数组。

哈希表结构
`table`:哈希表数组。
`size`:哈希表的大小。
`sizemask`:用于计算索引的掩码。
`used`:已使用的节点数量。

优点
高效的查找和插入操作:哈希表提供了 O(1) 时间复杂度的查找和插入操作。
节省内存:整数集合在元素较少时可以节省内存。

4. 有序集合 (Sorted Set)

底层数据结构
跳表 (Skip List):有序集合的主要底层数据结构是跳表。跳表是一种有序的数据结构,支持高效的插入、删除和查找操作。
压缩列表 (ziplist):当有序集合中的元素较少且元素长度较小时,Redis 使用压缩列表来存储。

跳表结构
`header`:指向跳表头节点的指针。
`tail`:指向跳表尾节点的指针。
`level`:跳表的最大层数。
`length`:跳表的元素数量。

压缩列表结构
`zlbytes`:压缩列表的总字节数。
`zltail`:最后一个元素的偏移量。
`zllen`:元素的数量。
`entryX`:压缩列表的元素。
`zlend`:压缩列表的结束标志。

优点
高效的查找和插入操作:跳表提供了 O(log N) 时间复杂度的查找和插入操作。
节省内存:压缩列表在元素较少时可以节省内存。

5. 哈希 (Hash)

底层数据结构
压缩列表 (ziplist):当哈希中的字段和值较少且长度较小时,Redis 使用压缩列表来存储。
哈希表 (Hash Table):当哈希中的字段和值较多时,Redis 使用哈希表来存储。

压缩列表结构
`zlbytes`:压缩列表的总字节数。
`zltail`:最后一个元素的偏移量。
`zllen`:元素的数量。
`entryX`:压缩列表的元素。
`zlend`:压缩列表的结束标志。

哈希表结构
`table`:哈希表数组。
`size`:哈希表的大小。
`sizemask`:用于计算索引的掩码。
`used`:已使用的节点数量。

优点
高效的查找和插入操作:哈希表提供了 O(1) 时间复杂度的查找和插入操作。
节省内存:压缩列表在字段和值较少时可以节省内存。

6. 位图 (Bitmap)

底层数据结构
- 字符串 (String):位图实际上是字符串类型的一种应用,Redis 使用字符串来存储位图数据。

优点
- 高效的位操作**:位图提供了高效的位操作,如设置位、清除位、统计位等。
- 节省内存:位图在存储大量布尔值时可以节省内存。

7. HyperLogLog

底层数据结构
- 字符串 (String):HyperLogLog 是一种用于估计集合基数的概率数据结构,Redis 使用字符串来存储 HyperLogLog 数据。

优点
- 高效的基数估计:HyperLogLog 提供了高效的基数估计,且占用内存极少。

8. 地理空间索引 (Geo)

底层数据结构
- 有序集合 (Sorted Set):地理空间索引使用有序集合来存储地理位置信息。每个地理位置被编码为有序集合中的一个元素,其分数是经纬度的编码值。

优点
- 高效的查找和插入操作:有序集合提供了高效的查找和插入操作。
- 支持地理空间查询:地理空间索引支持高效的附近位置查询。

总结

Redis 通过使用多种底层数据结构来实现其丰富的数据类型,每种数据结构都有其特定的应用场景和优点。了解这些底层数据结构有助于更好地理解 Redis 的工作原理,并在实际应用中选择合适的数据类型和配置参数。

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