Redis 数据结构解析-优快云博客

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一、Redis 数据结构的核心设计

Redis 的 数据类型（对象） 与 底层数据结构 是解耦的，同一数据类型在不同场景下可能采用不同的底层结构。例如，List 类型在元素较少时使用压缩列表（ZipList），元素较多时则切换为双向链表或 QuickList。

二、核心数据结构与底层实现

数据类型	底层数据结构	关键特性
String	- SDS（simple dynamic string, 简单动态字符串） - 整数（直接存储数值）	- SDS 支持预分配和惰性释放，避免频繁内存操作 - 最大长度 512MB，二进制安全（可存储图片等二进制数据）
List	- `ZipList`（压缩列表）（元素少时） - LinkedList（双向链表）（Redis 3.0前） - QuickList（3.2+，链表+ZipList组合） - ListPack（最新版替代 ZipList）	- QuickList 结合`链表和ZipList`优势，减少内存碎片 - ListPack 解决 ZipList 级联更新问题，提升性能
Hash	- `ZipList`（字段少且值小时） - HashTable（哈希表）（默认）	- 哈希表采用链地址法解决冲突，`渐进式 Rehash 避免阻塞` - 压缩列表存储时字段和值连续排列，节省内存
Set	- IntSet（整数集合）（全为整数时） - HashTable（其他情况）	- IntSet 自动升级存储类型（int16 → int32 → int64） - 哈希表值固定为 NULL，仅用键存储元素
ZSet	- `ZipList`（元素少时） - SkipList（跳表） + HashTable（元素多时）	- 跳表支持 O(logN) 范围查询，哈希表实现 O(1) 单元素访问 - 元素按分值排序，支持排行榜等场景

三、底层数据结构详解

SDS（简单动态字符串）
- 结构：len（长度）、free（剩余空间）、buf[]（数据）
- 优势：
  - 常数复杂度获取长度（strlen 直接读 len）。
  - 避免缓冲区溢出（自动扩容）。
  - 支持二进制安全（允许 \0 作为内容）。
    
    上述优势都是 c 语言字符数组不具备的。
ZipList（压缩列表）
- 应用场景：List、Hash、ZSet 的小数据存储。
- 结构：连续内存块，元素由 prev_len（前驱节点长度）、encoding（编码类型）、content（数据）组成。
- 缺点：级联更新问题（某一节点扩展导致后续节点 prev_len 连锁更新）。
QuickList
- 改进ZipList：降低级联更新影响，将一整个ZipList（压缩列表）拆分为多个ZipList；尽可能缩小级联更新范围；
ListPack
- 改进ZipList：ZipList级联更新罪魁祸首就是prev_len（前驱节点长度）；所以 ListPack 去掉了这个前面节点长度的字段，改为记录当前节点的长度，当我们向 ListPack 加入一个新元素的时候，不会影响其他节点的长度字段的变化，从而避免了压缩列表的连锁更新问题。
SkipList（跳表）
- 核心逻辑：多层索引加速查找，节点随机层高（基于幂次定律）。
- 优势：支持高效范围查询（如 ZRANGE），复杂度 O(logN)。
- 结构：每个节点包含 score（分值）、backward（后退指针）、level[]（层级数组）。
HashTable（哈希表）
- 渐进式 Rehash：扩容时同时操作新旧哈希表，避免单次 Rehash 阻塞服务。
- 冲突解决：链地址法（头插法），哈希函数为 SipHash。

四、版本演进与优化

Redis 3.0 → 3.2：List 从 ZipList/LinkedList 改为 QuickList（减少内存碎片）。
Redis 5.0+：废弃 ZipList，引入 ListPack（解决级联更新问题）。
Redis 7.0：默认使用 ListPack 作为 Hash 和 ZSet 的底层结构。

五、性能优化建议

控制数据规模：
- Hash/Set/ZSet 元素较少时优先使用压缩结构（ZipList/ListPack），减少内存占用。
避免大 Key：
- String 类型 Value 不超过 10KB，Hash/List 元素数量控制在 1000 以内。
合理选择数据类型：
- 频繁范围查询 → ZSet（SkipList）
- 高性能计数 → String（INCR/DECR）
- 去重存储 → Set（IntSet/HashTable）