Redis基本数据类型底层数据结构

Redis数据类型底层数据结构

Redis目前基本的数据类型有String、List、Set、ZSet、Hash五种，首先Redis是C语言开发的，所以底层就是用C语言封装数据结构或者C语言本身提供的数据结构来存储。redis内部的主要数据结构主要有简单字符串（SDS）、双端链表、字典、压缩列表、跳跃表、整数集合。Redis内部并没有直接使用这些数据结构来实现键值对数据库，而是基于这些数据结构创建了一个对象系统，这个对象系统包含了我们所熟知的五种基本类型数据，也就是字符串对象、列表对象、哈希对象、集合对象和有序集合对象这五种类型的对象。而它们每一种对象都使用到了至少一种前面所介绍的数据结构。下面介绍一下redis内部的主要几个数据结构简单字符串（SDS）、双端链表、压缩列表、跳跃表的定义。然后再介绍一下redis基本的五种数据类型，也就是五种类型的对象用到了上面的哪些数据结构。

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redis的数据结构

SDS（Simple Dynamic String）简单字符串

1、redis定义：

2、使用范围：在redis里面，C本身的字符串只会作为字符串字面量（String literal）只用在一些不必对字符串值修改的地方，比如打印日志。

而redis需要使用字符串存储并且会修改的地方，都使用了SDS来存储。例如Key值。

3、优点：使用SDS来存储字符串的优点：

• SDS的len属性直接记录了长度，获取字符串长度的复杂度为O(1)。
• C字符串本身不记录长度容易产生缓存区溢出，而SDS杜绝了缓冲区的溢出。
• C字符串本身不记录长度，每次修改都要重新分配内存，SDS减少了重新分配内存次数。
• 优化了字符串缩短操作。并且可以保存任意格式的二进制数据，而C字符串必须含有编码。

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链表（list）

1、链表：listNode结构来保存，多个listNode可以形成双向链表，redis定义了list表示头节点来持有链表，下图分别是节点listNode和链表list的定义。

1、redis定义：

• 节点listNode
  
  

• 链表list
  
  

2、使用范围：链表在redis中用作了列表键、发布与订阅、慢查询、监视器等

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跳跃表（zskiplist）

1、跳跃表：是一种有序得数据结构，通过在每个节点上维持多个指向其他节点的指针，从而达到快速访问的目的，可以理解为改进版的双端链表，改进的手段是通过空间换取了时间。

2、复杂度：跳跃表支持平均O(logN)、最坏O(N)的查找复杂度，大部分条件下，跳跃表的效率可以和平衡树媲美，并且实现比平衡树简单。

• 跳跃表节点zskiplistNode
  
  

• 跳跃表zskiplist
  
  

2、跳跃表结构图：



仔细观察上图跳跃表的结构后，发现如果节点的层数越高，那么这个节点访问其他节点的速度就越快。换言之，level越高，代表了这个跳跃表的查找效率可能会比较高。当然并不是绝对的，因为redis每次创建跳跃表节点时，程序是根据幂次定律(越大的数出现概率越小)， 生成层数高度。同时，节点的顺序是根据每个节点的分值排序的，如果分值相同，那么根据对象的大小排序。

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压缩列表（ziplist）

1、压缩列表：是redis为了节省内存而开发的，是由一系列特殊编码的连续内存块组成的顺序型数据结构，一个压缩列表的可以包含多个节点，每个节点可以保存一个字节数组或者一个整数值。

2、压缩列表结构图：

3、压缩列表特点：

• 是一种为节省内存开发的顺序性数据结构
• 可以包含多个节点，每个节点保存一个字节数组或者整数值
• 添加新节点到压缩列表，或者从压缩列表删除节点，可能会引发连锁更新操作，但是机率不高

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Redis五种基本数据类型

上面提到过，redis并没有使用上面的数据结构直接用来实现键值对数据库，也就是常说的五种基本数据类型，而是创建了一个对象系统，这个系统包含了字符串对象，列表对象、哈希对象、集合对象、和有序集合对象这五种基本数据类型。这样做有一个好处是，我们可以针对不同的场景，对相同的数据类型对象使用不同的数据结构，来优化提高效率。

redisObject对象

1、对象：redis的键值对都是一个redisObject结构，该结构中有三个属性，type类型属性、encoding编码属性、ptr指向底层数据结构属性。

• redisObject对象定义

• 数据库的key值都是一个string字符串对象

2、编码常量：

String类型

字符串对象的编码是int、raw、embstr。参考上面的编码常量表，也就是说字符串类型的数据底层的数据结构使用的是整数、SDS、embstr编码的SDS。

1、编码转换

即上述几种编码会在何时转换，也就是redis底层决定用什么存储字符串数据？。

当int类型的编码通过操作存储的是字符串值，那么字符串对象的编码将从int变为raw。

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List类型

列表对象的编码可以是zipList压缩列表和linkedlist双端链表。

1、编码转换

即上述两种编码会在何时转换，也就是redis底层什么时候会用压缩列表存储列表数据？什么时候会使用双端链表存储列表数据。

当列表同时满足以下两个条件时，列表对象会使用zipList编码，也就是压缩列表

• 列表对象保存的所有字符串元素的长度都小于64字节
• 列表保存的元素少于512个，

2、配置

上述两个条件是支持配置的，也就是说我们可以redis直接读取我们的配置，来决定列表list类型底层使用什么样的数据结构来存储数据

• list-max-ziplist-value
• list-max-ziplist-entries

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Set类型

集合对象使用的是intset整数集合(intset底层使用的是整数集合数据结构)或者hashtable哈希表（hashtable底层使用的是字典数据结构，我们并没有在本文做详细介绍，有需要可以自己了解）

1、编码转换

当集合对象同时满足下面两个条件，会使用intset编码

• 集合对象保存的所有对象都是整数值
• 集合对象保存的元素数量小于512个；

2、配置

上述第二个条件是支持配置的。

• set-max-intset-entries

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ZSet类型

有序集合的编码使用的是ziplist压缩列表和skiplist跳跃表。

注意：上面介绍skiplist的时候我们可以从结构图中明显看到存储集合元素的时候，score在每个节点中式如何存储的。那么如果ZSet使用的式ziplist压缩列表，redis怎么存储score和value值呢？其实很简单，每个集合的元素都使用两个节点来存储，第一个节点保存的是成员（member），第二个元素保存的是元素的分值（score）

1、编码转换

当有序集合对象可以同时满足以下两个条件时，使用ziplist编码

• 有序集合的所有元素长度都小于64字节
• 有序集合的元素数量小于128个；

2、配置

上述两个条件是支持配置的。

• zset-max-ziplist-value
• zset-max-ziplist-entries

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Hash类型

哈希对象使用的是ziplist压缩列表或hashtable哈希表。（hashtable底层使用的是字典数据结构，我们并没有在本文做详细介绍，有需要可以自己了解）

1、编码转换

当哈希对象同时满足下面两个条件，使用ziplist压缩列表

• 哈希对象保存的所有键值对的键和值的字符串长度都小于64字节
• 哈希对象保存的键值对的数量小于512个；

2、配置

上述两个条件是支持配置的。

• hash-max-ziplist-value
• hash-max-ziplist-entries

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