chapter7 压缩列表

    压缩列表(ziplist)是列表键和哈希键的底层实现之一。当一个列表键只包含少量列表键,并且每个列表项要么就是小整数值,要么就是长度比较短的字符串,那么Redis就会使用压缩列表来做列表键的底层实现。

    另外,当一个哈希键只包含少量键值对,并且每个键值对的键和值要么就是小整数值,要么就是长度比较短的字符串,那么Redis就会使用压缩列表来做哈希键的底层实现。

7.1 压缩列表的构成

    压缩列表是redis为了节约内存而开发的,是由一系列特殊编码的连续内存块组成的顺序性(sequential)数据结构。一个压缩列表可以包含任意多个节点(entry),每一个节点可以保存一个字节数组或者一个整数值。

    图7-2展示了一个压缩列表示例

• 列表zlbytes属性的值为0x50(80),表示压缩列表的总长度为80字节
• 列表zltail属性的值为0x3c(60),表示如果我们有一个指向压缩列表起始地址的指针p,那么只要用指针p加上偏移量60,就可以计算出表尾节点entry3的地址。
• 列表zllen属性的值为0x3(3),表示压缩列表包含三个节点。

7.2 压缩列表节点的构成

    每个压缩列表节点可以保存一个字节数组或者一个整数值,其中,字节数组是以下三种长度的其中一种:

• 长度小于等于63(2^6-1)字节的字节数组;
• 长度小于等于16383(2^14-1)字节的字节数组;
• 长度小于等于4294967295(2^32-1)字节的字节数组;

    而整数值则可以是以下六种长度的其中一种:

• 4位长,介于0至12之间的无符号整数;
• 1字节长的有符号整数;
• 3字节长的有符号整数;
• int16_t类型整数;
• int32_t类型整数;
• int64_t类型整数.

    每个压缩列表节点都由previous_entry_length,encoding,content三部分组成。

7.2.1 previous_entry_length

    节点的privious_entry_length属性以字节为单位,记录了压缩列表中前一个节点的长度。previous_entry_length属性的长度可以是1字节或者5字节:

• 如果前一节点的长度小于254字节,那么previous_entry_length属性的长度为1字节:前一节点的长度就保存在这一个字节里面。
• 如果前一节点的长度大于等于254字节,那么previous_entry_length属性的长度为5字节:其中属性的第一字节会被设置为0xFE(十进制254),而之后的四个字节则用于保存前一节点的长度。

    图7-6中,其中值的最高位字节0xFE表示这是一个五字节长的previous_entry_length属性,而之后的四字节0x00002766(十进制10086)才是前一节点的实际长度。

    因为节点的previous_entry_length属性记录了前一个节点的长度,所以程序可以通过指针运算,根据当前节点的起始地址来计算出前一个节点的起始地址。

    例如,有一个指向当前节点起始地址的指针c,那么我们只要用指针c减去当前节点previous_entry_length属性的值,就可以得出一个指向前一个节点起始地址的指针p.

    压缩列表从表尾向表头遍历操作就是使用这一原理实现的,只要我们拥有了一个指向某个节点起始地址的指针,那么通过这个指针以及这个节点的previous_entry_length属性,程序就可以一直向前一个节点回溯,最终到达压缩列表的表头节点。

7.2.2 encoding

    节点的encoding属性记录了节点的content属性所保存数据的类型及长度;

• 一字节、两字节或者五字节长,值的最高位为00,01或者10的是字节数组编码:这种编码表示节点的content属性保存着字节数组,数组的长度由编码除去最高两位之后的其他位记录;
• 一字节长,值的最高位以11开头的是整数编码:这种编码表示节点的content属性保存着整数值,整数值的类型和长度由编码除去最高两位之后的其他位记录;

7.2.3 content

   节点的content属性负责保存节点的值,节点值可以是一个字节数组或者整数,值的类型和长度由节点的encoding属性决定。

    图7-9展示了一个保存字节数组的节点示例,图7-10展示了一个保存整数值的节点示例:

• 编码的最高两位00表示节点保存的是一个字节数组;
• 编码的后六位001011记录了字节数组的长度11;
• content属性保存着节点的值"hello world";

• 编码11000000表示节点保存的是一个int16_t类型的整数值;
• content属性保存着节点的值10086.
  

7.3 连锁更新

    现在,考虑这样一种情况:在一个压缩列表中,有多个连续的、长度介于250字节到253字节之间的节点e1至eN,如图7-11所示:

    因为e1至eN的所有节点的长度都小于254字节,所以记录这些节点的长度只需要1字节长的previous_entry_length属性,换句话说,e1至eN的所有节点的previous_entry_length属性都是1字节长的。

    这时,如果将一个长度大于等于254字节的新结点new设置为压缩列表的表头节点,那么new将成为e1的前置节点,如图7-12所示:

    因为e1的previous_entry_length属性仅长1字节,它没办法保存新结点new的长度,所以程序将对压缩列表执行空间重分配操作,并将e1节点的previous_entry_length属性从原来的1字节扩展为5字节长。e2,e3...也做同样扩展。

    Redis将这种在特殊情况下产生的连续多次空间扩展操作称之为:"连锁更新"(cascade update),图7-13展示了这一过程。

    除了添加新节点可能会引发连锁更新之外,删除节点也可能会引发连锁更新。

7.4 压缩列表API

7.5 重点回顾

• 压缩列表是一种为节约内存而开发的顺序型数据结构
• 压缩列表被用作列表键和哈希键的底层实现之一。
• 压缩列表可以包含多个节点,每个节点可以保存一个字节数组或者整数值。
• 添加新节点到压缩列表,或者从压缩列表中删除节点,可能会引发连锁更新操作,但这种操作出现的几率并不高。