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Redis 是一个高性能的内存数据库,其关键在于其数据结构的设计。Redis 数据结构是指底层实现 Redis 键值对中值的数据类型的方式。它包括了以下几种主要对象:
随着 Redis 版本的更新,这些数据类型的底层数据结构也有所不同,如双向链表、压缩列表、哈希表、跳表、整数集合、quicklist 和 listpack 等。这些数据结构的选择使得 Redis 在处理数据的增删查改操作时能够高效地运行。
研究 Redis 的底层数据结构有助于我们深入理解 Redis 的工作原理,优化性能,确保数据的安全性,扩展系统的能力,并更好地排查和解决问题。这对于使用和管理 Redis 数据库以及构建高效可靠的应用程序都是非常有价值的。本文将详细介绍 Redis 的底层数据结构。
C 语言字符串的限制:
\0
字符作为结尾标记。\0
字符标记字符串结束,字符串中不能包含\0
字符,因此无法保存二进制数据。strcat
存在缓冲区溢出等安全性问题,因为它们不检查缓冲区大小是否足够。Redis 的需求:
为了克服 C 语言字符串的不足,Redis 采用了 SDS 作为其字符串数据类型的底层数据结构。
SDS 的数据结构如下:
- struct sdshdr {
- int len; // 记录了字符串的长度
- int free; // 分配给字符数组的剩余空间长度
- char buf[]; // 字符数组,用来保存实际数据
- };
结构中的每个成员变量分别介绍如下:
len
:记录了字符串长度。这样在获取字符串长度时,只需要返回这个成员变量值即可,时间复杂度为 O(1)。alloc
:分配给字符数组的剩余空间长度。在修改字符串时,可以通过 alloc - len
计算出剩余的空间大小,用于判断是否需要扩展空间。buf[]
:字符数组,用来保存实际数据。不仅可以保存字符串,也可以保存二进制数据。总的来说,Redis 的 SDS 结构在原本字符数组之上,增加了三个元数据:len
、free
、flags
,用来解决 C 语言字符串的缺陷。
O(1) 复杂度获取字符串长度:
strlen
函数需要遍历字符串,时间复杂度为 O(N)。len
成员变量直接返回字符串长度,时间复杂度为 O(1)。二进制安全:
\0
字符标识字符串结尾,而是通过 len
成员变量记录长度,可以存储包含 \0
的数据。\0
字符。避免缓冲区溢出:
strcat
把缓冲区大小是否满足操作需求的检查交给开发者,存在缓冲区溢出的风险。alloc
和 len
成员变量,在进行字符串修改时由程序内部判断缓冲区大小是否足够。SDS 的扩容规则如下:
newlen
。newlen + 1MB
。节省空间:
sdshdr5
、sdshdr8
、sdshdr16
、sdshdr32
、sdshdr64
),根据 len
和 alloc
成员变量的数据类型不同来适应不同大小字符串的存储需求。以下是 SDS 的实现示例,包括创建、释放、拼接和复制操作:
创建 SDS:
- sds sdsnew(const char *init) {
- size_t initlen = (init == NULL) ? 0 : strlen(init);
- sds s = sdsnewlen(init, initlen);
- return s;
- }
释放 SDS:
- void sdsfree(sds s) {
- if (s == NULL) return;
- zfree((char*)s - sizeof(struct sdshdr));
- }
拼接字符串:
- sds sdscat(sds s, const char *t) {
- return sdscatlen(s, t, strlen(t));
- }
复制字符串:
- sds sdscpy(sds s, const char *t) {
- return sdscpylen(s, t, strlen(t));
- }
获取 SDS 长度:
- size_t sdslen(const sds s) {
- struct sdshdr *sh = (void*) (s - (sizeof(struct sdshdr)));
- return sh->len;
- }
清空 SDS:
- void sdsclear(sds s) {
- struct sdshdr *sh = (void*) (s - (sizeof(struct sdshdr)));
- sh->free += sh->len;
- sh->len = 0;
- s[0] = '\0';
- }
在 Redis 中,如果字符串内容可以表示为数字类型,通常可以优化存储为 long 类型或整数集合(intset)。这是因为整数类型的存储和操作通常比字符串更高效。
使用整数类型存储数字字符串:
SET key "12345"
时,Redis 会将其存储为整数编码(INT),而不是字符串编码。整数集合(intset):
- typedef struct intset {
- uint32_t encoding; // 编码类型(int16, int32, int64)
- uint32_t length; // 集合中元素的个数
- int8_t contents[]; // 元素数组
- } intset;
通过上述解析,我们可以更好地理解 SDS 的设计思想和实现原理,从而在实际开发中更好地利用 SDS 提供的优势。在 Redis 中,字符串可以表示为数字类型时,会自动转换为整数类型进行存储,以提高存储和操作效率。此外,Redis 提供了整数集合(intset)数据结构,用于高效存储一组整数。了解这些优化策略
,可以帮助我们在实际应用中更好地利用 Redis 的性能和功能。
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