Redis源码分析（intset）

源码版本：4.0.1
源码位置：

• intset.h：数据结构的定义
• intset.c：创建、增删等操作实现

1. 整数集合简介

intset是Redis内存数据结构之一，和之前的 sds、 skiplist、dict、adlist 等通用数据相比，它是Redis特有的，用来实现Redis的Set结构（当元素较小且为数字类型时），它的特点有：

• 元素类型只能为数字。
• 元素有三种类型：int16_t、int32_t、int64_t。
• 元素有序，不可重复。
• intset和sds一样，内存连续，就像数组一样。

2. 数据结构定义

typedef struct intset {
    uint32_t encoding;  // 编码类型 int16_t、int32_t、int64_t
    uint32_t length;    // 长度 最大长度:2^32
    int8_t contents[];  // 柔性数组
} intset;

3. 创建、插入（扩缩容）、查找（二分查找）、删除

以下面这个例子来看下intset的各种操作：

(需要自己在server.c中添加intset.h头文件，然后将main函数修改成下面代码)

int main(int argc, char **argv)  {

    uint8_t ret;
    uint8_t success;
    int64_t value;
    int16_t int16_a = 2 * 128;
    int16_t int16_b = 2 * 256;
    int32_t int32_c = 2 * 65536;

    printf("----------intset insert----------\n");
    intset *is = intsetNew();

    is = intsetAdd(is, int16_a, &success);
    if (success == 0) {
        printf("add int16_a fail\n");
    } else {
        printf("add int16_a success, ");
    }

    printf("is encoding:%d, length:%d, bloblen:%zu\n", is->encoding, intsetLen(is), intsetBlobLen(is));

    is = intsetAdd(is, int32_c, &success);
    if (success == 0) {
        printf("add int32_c fail\n");
    } else {
        printf("add int32_c success, ");
    }

    printf("is encoding:%d, length:%d, bloblen:%zu\n", is->encoding, intsetLen(is), intsetBlobLen(is));

    is = intsetAdd(is, int16_b, &success);
    if (success == 0) {
        printf("add int16_b fail\n");
    } else {
        printf("add int16_b success, ");
    }

    printf("is encoding:%d, length:%d, bloblen:%zu\n", is->encoding, intsetLen(is), intsetBlobLen(is));

    printf("----------intset found----------\n");
    ret = intsetFind(is, int16_b);
    if (ret == 1) {
        printf("int16_b is found\n");
    }

    printf("----------intset get----------\n");

    ret = intsetGet(is, 0, &value);
    if (ret != 0) {
        printf("int16_a get value is %lld\n", value);
    }

    printf("----------intset remove----------\n");

    is = intsetRemove(is, int16_b, &success);
    if (success == 1) {
        printf("int16_b is success remove\n");
    }

    printf("is encoding:%d, length:%d, bloblen:%zu\n", is->encoding, intsetLen(is), intsetBlobLen(is));

    zfree(is);

    return 0;
}

Out >
----------intset insert----------
add int16_a success, is encoding:2, length:1, bloblen:10
add int32_c success, is encoding:4, length:2, bloblen:16
add int16_b success, is encoding:4, length:3, bloblen:20
----------intset found----------
int16_b is found
----------intset get----------
int16_a get value is 256
----------intset remove----------
int16_b is success remove
is encoding:4, length:2, bloblen:16

3.1 创建

• intset *is = intsetNew()，创建了一个空的名为is的intset，代码如下：

/* Create an empty intset. */
intset *intsetNew(void) {
    intset *is = zmalloc(sizeof(intset));  // 分配空间
    is->encoding = intrev32ifbe(INTSET_ENC_INT16);  // 初试创建默认元素大小为 2 字节
    is->length = 0;
    return is;
}

3.2 插入

• 接下来我们调用intsetAdd()连续插入了三次数据，它的代码如下：

/* Insert an integer in the intset */
intset *intsetAdd(intset *is, int64_t value, uint8_t *success) {
    uint8_t valenc = _intsetValueEncoding(value);
    uint32_t pos;
    if (success) *success = 1;

    /* Upgrade encoding if necessary. If we need to upgrade, we know that
     * this value should be either appended (if > 0) or prepended (if < 0),
     * because it lies outside the range of existing values. */
    if (valenc > intrev32ifbe(is->encoding)) {
        /* This always succeeds, so we don't need to curry *success. */
        return intsetUpgradeAndAdd(is,value);
    } else {
        /* Abort if the value is already present in the set.
         * This call will populate "pos" with the right position to insert
         * the value when it cannot be found. */
        if (intsetSearch(is,value,&pos)) {
            if (success) *success = 0;
            return is;
        }

        is = intsetResize(is,intrev32ifbe(is->length)+1);
        if (pos < intrev32ifbe(is->length)) intsetMoveTail(is,pos,pos+1);
    }

    _intsetSet(is,pos,value);
    is->length = intrev32ifbe(intrev32ifbe(is->length)+1);
    return is;
}

整个函数的流程如下：

• uint8_t valenc = _intsetValueEncoding(value)，根据value的长度获取其对应的编码，保存至valenc。
• if (valenc > intrev32ifbe(is->encoding))，如果valenc > is->encoding，表明目前的encoding太小，需要整体提高encoding的大小。
  
  • 执行intsetUpgradeAndAdd()完成扩大操作。
• 如果valenc <= is->encoding。
  
  • 执行查找intsetSearch(is,value,&pos)，如果查找到元素，将success置为0，表示插入失败，即此元素已经存在。
  • 如果没有查找到，pos表示元素应该插入的位置，则给is扩容一个元素的大小intsetResize(is,intrev32ifbe(is->length)+1)，如果需要则使用intsetMoveTail(is,pos,pos+1)将元素挪移。
• _intsetSet(is,pos,value)，将元素插入intset。
• is->length = intrev32ifbe(intrev32ifbe(is->length)+1)，更新length的值。

插入了第一个元素int16_a的is如下图所示：

与输出结果相对应：

add int16_a success, is encoding:2, length:1, bloblen:10

• 接下来我们的代码添加了第二个元素，由于它的大小超过了INTSET_ENC_INT16，所以添加操作会执行intsetUpgradeAndAdd()函数扩大encoding：

/* Upgrades the intset to a larger encoding and inserts the given integer. */
static intset *intsetUpgradeAndAdd(intset *is, int64_t value) {
    uint8_t curenc = intrev32ifbe(is->encoding);
    uint8_t newenc = _intsetValueEncoding(value);
    int length = intrev32ifbe(is->length);
    int prepend = value < 0 ? 1 : 0;

    /* First set new encoding and resize */
    is->encoding = intrev32ifbe(newenc);
    is = intsetResize(is,intrev32ifbe(is->length)+1);

    /* Upgrade back-to-front so we don't overwrite values.
     * Note that the "prepend" variable is used to make sure we have an empty
     * space at either the beginning or the end of the intset. */
    while(length--)
        _intsetSet(is,length+prepend,_intsetGetEncoded(is,length,curenc));

    /* Set the value at the beginning or the end. */
    if (prepend)
        _intsetSet(is,0,value);
    else
        _intsetSet(is,intrev32ifbe(is->length),value);
    is->length = intrev32ifbe(intrev32ifbe(is->length)+1);
    return is;
}

• 将is目前的encoding保存至curenc，将value的encoding保存至newenc。
• int prepend = value < 0 ? 1 : 0，prepend用来确定新value的插入位置：第一个还是最后一个，因为它的encoding比is->encoding要大，所以它要么比目前所有元素都大，要么比所有元素都小，即插入位置要么第一个，要么最后一个。
• 然后更新encoding的值，重新分配空间。
• 挪动所有的元素到新位置。
• 根据prepend的值判断将value插入第一个位置还是最后一个位置。
• 更新is->length。

有一个比较生动的图解如下，参考[1]：

    /* Upgrade back-to-front so we don't overwrite values.
     * Note that the "prepend" variable is used to make sure we have an empty
     * space at either the beginning or the end of the intset. */
    // 根据集合原来的编码方式，从底层数组中取出集合元素
    // 然后再将元素以新编码的方式添加到集合中
    // 当完成了这个步骤之后，集合中所有原有的元素就完成了从旧编码到新编码的转换
    // 因为新分配的空间都放在数组的后端，所以程序先从后端向前端移动元素
    // 举个例子，假设原来有 curenc 编码的三个元素，它们在数组中排列如下：
    // | x | y | z |
    // 当程序对数组进行重分配之后，数组就被扩容了（符号 ？ 表示未使用的内存）：
    // | x | y | z | ? |   ?   |   ?   |
    // 这时程序从数组后端开始，重新插入元素：
    // | x | y | z | ? |   z   |   ?   |
    // | x | y |   y   |   z   |   ?   |
    // |   x   |   y   |   z   |   ?   |
    // 最后，程序可以将新元素添加到最后 ？ 号标示的位置中：
    // |   x   |   y   |   z   |  new  |
    // 上面演示的是新元素比原来的所有元素都大的情况，也即是 prepend == 0

    // 当新元素比原来的所有元素都小时（prepend == 1），调整的过程如下：
    // | x | y | z | ? |   ?   |   ?   |
    // | x | y | z | ? |   ?   |   z   |
    // | x | y | z | ? |   y   |   z   |
    // | x | y |   x   |   y   |   z   |
    // 当添加新值时，原本的 | x | y | 的数据将被新值代替
    // |  new  |   x   |   y   |   z   |

插入了第二个元素之后is如下图所示：

输出如下所示：

add int32_c success, is encoding:4, length:2, bloblen:16

• 接下来我们插入第三个元素，此时的encoding满足int16_b的大小，所以代码分支去执行查找操作intsetSearch()函数：

/* Search for the position of "value". Return 1 when the value was found and
 * sets "pos" to the position of the value within the intset. Return 0 when
 * the value is not present in the intset and sets "pos" to the position
 * where "value" can be inserted. */
static uint8_t intsetSearch(intset *is, int64_t value, uint32_t *pos) {
    int min = 0, max = intrev32ifbe(is->length)-1, mid = -1;
    int64_t cur = -1;

    /* The value can never be found when the set is empty */
    if (intrev32ifbe(is->length) == 0) {
        if (pos) *pos = 0;
        return 0;
    } else {
        /* Check for the case where we know we cannot find the value,
         * but do know the insert position. */
        if (value > _intsetGet(is,intrev32ifbe(is->length)-1)) {
            if (pos) *pos = intrev32ifbe(is->length);
            return 0;
        } else if (value < _intsetGet(is,0)) {
            if (pos) *pos = 0;
            return 0;
        }
    }

    while(max >= min) {
        mid = ((unsigned int)min + (unsigned int)max) >> 1;  // 加法运算级别比移位高
        cur = _intsetGet(is,mid);
        if (value > cur) {
            min = mid+1;
        } else if (value < cur) {
            max = mid-1;
        } else {
            break;
        }
    }

    if (value == cur) {
        if (pos) *pos = mid;
        return 1;
    } else {
        if (pos) *pos = min;
        return 0;
    }
}

• 如果目前is->length为0，则标记pos为0，并且返回查找失败。
• 如果value比最大值还大，或者比最小值还小，标记pos为length或者0，返回查找失败。
• 否则使用二分法查找到元素，将pos指向应当插入的位置。

等到intsetSearch()返回之后，pos表示value应当插入的位置，此时需要挪动pos之后的元素向后一个位置，挪动函数是intsetMoveTail()：

static void intsetMoveTail(intset *is, uint32_t from, uint32_t to) {
    void *src, *dst;
    uint32_t bytes = intrev32ifbe(is->length)-from;
    uint32_t encoding = intrev32ifbe(is->encoding);

    if (encoding == INTSET_ENC_INT64) {
        src = (int64_t*)is->contents+from;
        dst = (int64_t*)is->contents+to;
        bytes *= sizeof(int64_t);
    } else if (encoding == INTSET_ENC_INT32) {
        src = (int32_t*)is->contents+from;
        dst = (int32_t*)is->contents+to;
        bytes *= sizeof(int32_t);
    } else {
        src = (int16_t*)is->contents+from;
        dst = (int16_t*)is->contents+to;
        bytes *= sizeof(int16_t);
    }
    memmove(dst,src,bytes);
}

实际上是把内存整体向后移动了一个元素的位置，需要注意的是 memmove 函数允许src和dst之间的内存有重叠部分。

再来一段生动的图解，同样出自参考[1]：

/*
 * 向前或先后移动指定索引范围内的数组元素
 *
 * 函数名中的 MoveTail 其实是一个有误导性的名字，
 * 这个函数可以向前或向后移动元素，
 * 而不仅仅是向后
 *
 * 在添加新元素到数组时，就需要进行向后移动，
 * 如果数组表示如下（？表示一个未设置新值的空间）：
 * | x | y | z | ? |
 *     |<----->|
 * 而新元素 n 的 pos 为 1 ，那么数组将移动 y 和 z 两个元素
 * | x | y | y | z |
 *         |<----->|
 * 接着就可以将新元素 n 设置到 pos 上了：
 * | x | n | y | z |
 *
 * 当从数组中删除元素时，就需要进行向前移动，
 * 如果数组表示如下，并且 b 为要删除的目标：
 * | a | b | c | d |
 *         |<----->|
 * 那么程序就会移动 b 后的所有元素向前一个元素的位置，
 * 从而覆盖 b 的数据：
 * | a | c | d | d |
 *     |<----->|
 * 最后，程序再从数组末尾删除一个元素的空间：
 * | a | c | d |
 * 这样就完成了删除操作。
 *
 * T = O(N)
 */

此时的is如下图所示：

3.3 查找

查找的逻辑在上面插入操作时候已经说到了，实际上是二分查找。

3.4 删除

/* Delete integer from intset */
intset *intsetRemove(intset *is, int64_t value, int *success) {
    uint8_t valenc = _intsetValueEncoding(value);
    uint32_t pos;
    if (success) *success = 0;

    if (valenc <= intrev32ifbe(is->encoding) && intsetSearch(is,value,&pos)) {
        uint32_t len = intrev32ifbe(is->length);

        /* We know we can delete */
        if (success) *success = 1;

        /* Overwrite value with tail and update length */
        if (pos < (len-1)) intsetMoveTail(is,pos+1,pos);
        is = intsetResize(is,len-1);
        is->length = intrev32ifbe(len-1);
    }
    return is;
}

• 首先获取元素的encoding，如果不符合条件，success为0表示删除失败。
• 否则调用intsetSearch()查找到相应的位置
• 然后将pos+1的元素移动到pos位置上，相当于向前覆盖一个元素。
• 将元素个数减一，重新分配内存。

4. 总结

本篇博客分析了intset的数据结构以及基本操作，整个数据结构还是比较简单的。
个人觉得intset实现按照元素不断增大可以扩大encoding对内存非常友好，但是它没有提供对应的减小encoding操作，即可以一直扩大encoding编码类型，但是不能缩小，这一点不太好。

参考资料：
[1] Redis源码注释3.0-黄健宏

[完]