Redis 概念以及底层数据结构

Redis 简介

REmote DIctionary Server(Redis) 是一个由SalvatoreSanfilippo写的key-value存储系统。

Redis是一个开源的使用ANSI C语言编写、遵守BSD协议、支持网络、可基于内存亦可持久化的日志型、Key-Value数据库，并提供多种语言的API。

它通常被称为数据结构服务器，因为值（value）可以是字符串(String), 哈希(Map), 列表(list), 集合(sets) 和有序集合(sorted sets)等类型。

Redis特点

Redis 是完全开源免费的，遵守BSD协议，是一个高性能的key-value数据库。

Redis 与其他 key - value 缓存产品有以下三个特点：

Redis支持数据的持久化，可以将内存中的数据保持在磁盘中，重启的时候可以再次加载进行使用。
Redis不仅仅支持简单的key-value类型的数据，同时还提供list，set，zset，hash等数据结构的存储。
Redis支持数据的备份，即master-slave模式的数据备份。

Redis 优势

性能极高 – Redis能读的速度是110000次/s,写的速度是81000次/s 。

丰富的数据类型 – Redis支持 Strings, Lists, Hashes, Sets 及 Ordered Sets 数据类型操作。

原子 – Redis的所有操作都是原子性的，同时Redis还支持对几个操作全并后的原子性执行。

丰富的特性 – Redis 还支持 publish/subscribe, 队列，key 过期等等特性。

Redis对象类型简介

Redis是一种key/value型数据库，其中，每个key和value都是使用对象表示的。
比如，我们执行以下代码：
```
redis＞ SET message "hello redis"
```
其中的key是message，是一个包含了字符串"message"的对象。而value是一个包含了"hello redis"的对象。
Redis共有五种对象的类型，分别是：

类型常量	对象的名称
REDIS_STRING	字符串对象
REDIS_LIST	列表对象
REDIS_HASH	哈希对象
REDIS_SET	集合对象
REDIS_ZSET	有序集合对象

Redis中的一个对象的结构体表示如下：

typedef struct redisObject {  

    // 类型

    unsigned type:4;          

    // 编码方式

    unsigned encoding: 4;  

    // 引用计数

    int refcount;  

    // 指向对象的值

    void *ptr;  

} robj;

type表示了该对象的对象类型，即上面五个中的一个。但为了提高存储效率与程序执行效率，每种对象的底层数据结构实现都可能不止一种。encoding就表示了对象底层所使用的编码。

Redis对象底层数据结构

编码常量	编码所对应的底层数据结构
REDIS_ENCODING_INT	long 类型的整数
REDIS_ENCODING_EMBSTR	embstr 编码的简单动态字符串
REDIS_ENCODING_RAW	简单动态字符串
REDIS_ENCODING_HT	字典
REDIS_ENCODING_LINKEDLIST	双端链表
REDIS_ENCODING_ZIPLIST	压缩列表
REDIS_ENCODING_INTSET	整数集合
REDIS_ENCODING_SKIPLIST	跳跃表和字典

字符串对象

字符串对象的编码可以是int、raw或者embstr
如果一个字符串的内容可以转换为long，那么该字符串就会被转换成为long类型，对象的ptr就会指向该long，并且对象类型也用int类型表示。
普通的字符串有两种，embstr和raw。embstr应该是Redis 3.0新增的数据结构,在2.8中是没有的。如果字符串对象的长度小于39字节，就用embstr对象。否则用传统的raw对象。

#define REDIS_ENCODING_EMBSTR_SIZE_LIMIT 44

robj *createStringObject(char *ptr, size_t len) {

    if (len <= REDIS_ENCODING_EMBSTR_SIZE_LIMIT)

        return createEmbeddedStringObject(ptr,len);

    else

        return createRawStringObject(ptr,len);

}

embstr的好处有如下几点：

embstr的创建只需分配一次内存，而raw为两次（一次为sds分配对象，另一次为objet分配对象，embstr省去了第一次）。
相对地，释放内存的次数也由两次变为一次。
embstr的objet和sds放在一起，更好地利用缓存带来的优势。

raw和embstr的区别可以用下面两幅图所示：

列表对象
列表对象的编码可以是ziplist或者linkedlist
ziplist是一种压缩链表，它的好处是更能节省内存空间，因为它所存储的内容都是在连续的内存区域当中的。当列表对象元素不大，每个元素也不大的时候，就采用ziplist存储但当数据量过大时就ziplist就不是那么好用了。因为为了保证他存储内容在内存中的连续性，插入的复杂度是O(N)，即每次插入都会重新进行realloc。如下图所示，对象结构中ptr所指向的就是一个ziplist整个ziplist只需要malloc一次，它们在内存中是一块连续的区域。

linkedlist是一种双向链表。它的结构比较简单，节点中存放pre和next两个指针，还有节点相关的信息。当每增加一个node的时候，就需要重新malloc一块内存。

哈希对象
哈希对象的底层实现可以是ziplist或者hashtable。
ziplist中的哈希对象是按照key1,value1,key2,value2这样的顺序存放来存储的。当对象数目不多且内容不大时，这种方式效率是很高的。

hashtable的是由dict这个结构来实现的, dict是一个字典，其中的指针dicht ht[2] 指向了两个哈希表

typedef struct dict {

    dictType *type;

    void *privdata;

    dictht ht[2];

    long rehashidx; /* rehashing not in progress if rehashidx == -1 */

    int iterators; /* number of iterators currently running */

} dict;

typedef struct dictht {

    dictEntry **table;

    unsigned long size;

    unsigned long sizemask;

    unsigned long used;

} dictht;

dicht[0] 是用于真正存放数据，dicht[1]一般在哈希表元素过多进行rehash的时候用于中转数据。
dictht中的table用语真正存放元素了，每个key/value对用一个dictEntry表示，放在dictEntry数组中。

集合对象
集合对象的编码可以是intset或者hashtable
intset是一个整数集合，里面存的为某种同一类型的整数，支持如下三种长度的整数：
```
#define INTSET_ENC_INT16 (sizeof(int16_t))

#define INTSET_ENC_INT32 (sizeof(int32_t))

#define INTSET_ENC_INT64 (sizeof(int64_t))
```
intset是一个有序集合，查找元素的复杂度为O(logN)，但插入时不一定为O(logN)，因为有可能涉及到升级操作。比如当集合里全是int16_t型的整数，这时要插入一个int32_t，那么为了维持集合中数据类型的一致，那么所有的数据都会被转换成int32_t类型，涉及到内存的重新分配，这时插入的复杂度就为O(N)了。
intset不支持降级操作。

有序集合对象
有序集合的编码可能两种，一种是ziplist，另一种是skiplist与dict的结合。
ziplist作为集合和作为哈希对象是一样的，member和score顺序存放。按照score从小到大顺序排列
skiplist是一种跳跃表，它实现了有序集合中的快速查找，在大多数情况下它的速度都可以和平衡树差不多。但它的实现比较简单，可以作为平衡树的替代品。它的结构比较特殊。下面分别是跳跃表skiplist和它内部的节点skiplistNode的结构体：

/*

* 跳跃表

*/

typedef struct zskiplist {

  // 头节点，尾节点

  struct zskiplistNode *header, *tail;

  // 节点数量

  unsigned long length;

  // 目前表内节点的最大层数

  int level;

} zskiplist;

/* ZSETs use a specialized version of Skiplists */

/*

* 跳跃表节点

*/

typedef struct zskiplistNode {

  // member 对象

  robj *obj;

  // 分值

  double score;

  // 后退指针

  struct zskiplistNode *backward;

  // 层

  struct zskiplistLevel {

      // 前进指针

      struct zskiplistNode *forward;

      // 这个层跨越的节点数量

      unsigned int span;

  } level[];

} zskiplistNode;

head和tail分别指向头节点和尾节点，然后每个skiplistNode里面的结构又是分层的(即level数组)
用图表示，大概是下面这个样子：

总结

以上简单介绍了Redis的简介，特性以及五种对象类型和五种对象类型的底层实现。事实上，Redis的高效性和灵活性正是得益于同一个对象类型采用不同的底层结构，并且在必要的时候对二者进行转换，还有就是各种底层结构对内存的合理利用。

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本文作者：Worktile高级工程师龚林杰

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