透过Redis源码探究字符串的实现

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本文使用的Redis 5.0源码

概述

最近在通过 Redis 学 C 语言，不得不说，Redis的代码写的真的工整。这篇文章会比较全面的深入的讲解了Redis数据结构字符串的源码实现，希望大家能够从中学到点东西。

Redis 的字符串源码主要都放在了 sds.c 和 sds.h 这两个文件中。具体实现已经被剥离出来变成单独的库：https://github.com/antirez/sds。

Redis 的动态字符串结构如下图所示：

SDS 大致由两部分构成：header以及 数据段，其中 header 还包含3个字段 len、alloc、flags。len 表示数据长度，alloc 表示分配的内存长度，flags 表示了 sds 的数据类型。

在以前的版本中，sds 的header其实占用内存是固定8字节大小的，所以如果在redis中存放的都是小字符串，那么 sds 的 header 将会占用很多的内存空间。

但是随着 sds 的版本变迁，其实在内存占用方面还是做了一些优化：

1. 在 sds 2.0 之前 header 的大小是固定的 int 类型，2.0 版本之后会根据传入的字符大小调整 header 的 len 和 alloc 的类型以便节省内存占用。
2. header 的结构体使用 __attribute__ 修饰，这里主要是防止编译器自动进行内存对齐，这样可以减少编译器因为内存对齐而引起的 padding 的数量所占用的内存。

目前的版本中共定义了五种类型的 sds header，其中 sdshdr5 是没用的，所以没画：

源码分析

sds 的创建

sds 的创建主要有如下几个函数：

sds sdsnewlen(const void *init, size_t initlen);
sds sdsnew(const char *init);
sds sdsempty(void);
sds sdsdup(const sds s);

• sdsnewlen 传入一个 C 的字符串进去，创建一个 sds 字符串，并且需要传入大小；

• sdsnew 传入一个 C 的字符串进去，创建一个 sds 字符串，它里面实际上会调用 strlen(init)计算好长度之后调用 sdsnewlen；

• sdsempty 会创建一个空字符串 “”；

• sdsdup 调用 sdsnewlen，复制一个已存在的字符串；

所以通过上面的创建可以知道，最终都会调用 sdsnewlen 来创建字符串，所以我们看看这个函数具体怎么实现。

sdsnewlen

其实对于一个字符串对象的创建来说，其实就做了三件事：申请内存、构造结构体、字符串拷贝到字符串内存区域中。下面我们看一下 Redis 的具体实现。

申请内存

sds sdsnewlen(const void *init, size_t initlen) {
    void *sh; //指向SDS结构体的指针
    sds s; //sds类型变量，即char*字符数组
    char type = sdsReqType(initlen); //根据数据大小获取sds header 类型
    if (type == SDS_TYPE_5 && initlen == 0) type = SDS_TYPE_8;
    int hdrlen = sdsHdrSize(type); // 根据类型获取sds header大小
    unsigned char *fp; /* flags pointer. */

    assert(hdrlen+initlen+1 > initlen); /* Catch size_t overflow */
    sh = s_malloc(hdrlen+initlen+1); //新建SDS结构，并分配内存空间，这里加1是因为需要在最后加上\0
    ...
    return s;
}

在内存申请之前，需要做的事情有以下几件：

1. 因为 sds 会根据传入的大小来设计 header 的类型，所以需要调用 sdsReqType 函数根据 initlen 获取 header 类型；
2. 然后调用 sdsHdrSize 根据 header 类型获取 header 占用的字节数；
3. 最后调用 s_malloc 根据 header 长度和字符串长度分配内存，这里需要加1是因为在 c 里面字符串是以 \0结尾的，为了兼容 c 的字符串格式。

既然说到了 header 类型，那么我们先来看看 header 的类型定义：

struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr8 { // 占用 3 byte
    uint8_t len; /* used */
    uint8_t alloc; /* excluding the header and null terminator */
    unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits */
    char buf[];
};
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr16 { // 占用 5 byte
    uint16_t len; /* used */
    uint16_t alloc; /* excluding the header and null terminator */
    unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits */
    char buf[];
};
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr32 { // 占用 9 byte
    uint32_t len; /* used */
    uint32_t alloc; /* excluding the header and null terminator */
    unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits */
    char buf[];
};
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr64 { // 占用 17 byte
    uint64_t len; /* used */
    uint64_t alloc; /* excluding the header and null terminator */
    unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits */
    char buf[];
};

在这里 __attribute__ 是用来防止内存对齐用的，否则也会浪费一些存储空间。关于内存对齐相关的知识，我在 《Go中由WaitGroup引发对内存对齐思考》 这篇文章里面也讲解过了，知识点是通用的，感兴趣的可以回过去看看。

看了上面的定义之后，我们自然而然的就可以想到，Redis 会根据传入的大小判断生成的 sds header 头类型：

static inline char sdsReqType(size_t string_size) {
    if (string_size < 1<<5) // 小于 32
        return SDS_TYPE_5;
    if (string_size < 1<<8) // 小于 256
        return SDS_TYPE_8;
    if (string_size < 1<<16) // 小于 65,536
        return SDS_TYPE_16;
#if (LONG_MAX == LLONG_MAX)
    if (string_size < 1ll<<32)
        return SDS_TYPE_32;
    return SDS_TYPE_64;
#else
    return SDS_TYPE_32;
#endif
}

可以看到 sdsReqType 是根据传入的字符串长度来判断字符类型。

构造结构体

对于Redis来说，如果没用过C语言的同学，会觉得它这里构造结构体的方式比较 hack。首先它是直接根据需要的内存大小申请一块内存，然后初始化头结构的指针指向的位置，最后为头结构的指针设值。

#define SDS_HDR_VAR(T,s) struct sdshdr##T *sh = (void*)((s)-(sizeof(struct sdshdr##T)));

sds sdsnewlen(const void *init, size_t initlen) {
	...
    sh = s_malloc(hdrlen+initlen+1); // 1.申请内存，这里长度加1是为了在最后面存放一个 \0
    if (sh == NULL) return NULL;
    if (init==SDS_NOINIT)
        init = NULL;
    else if (!init)
        memset(sh, 0, hdrlen+initlen+1);// 2.将内存的值都设置为0
    s = (char*)sh+hdrlen; 				//3.将s指针指向数据起始位置
    fp = ((unsigned char*)s)-1; 		//4.将fp指针指向sds header的flags字段
    switch(type) {
        case SDS_TYPE_5: {
            *fp = type | (initlen << SDS_TYPE_BITS);
            break;
        }
        case SDS_TYPE_8: {
            SDS_HDR_VAR(8,s); //5.构造sds结构体header
            sh->len = initlen; // 初始化 header len字段
            sh->alloc = initlen; // 初始化 header alloc字段
            *fp = type; // 初始化 header flag字段
            break;
        }
        ...
    }
    ...
    return s;
}

上面的过程我已经标注清楚了，可能直接看代码比较难理解这里的头结构体构造的过程，我下面用一张图表示一下指针指向的位置：

字符串拷贝

sds sdsnewlen(const void *init, size_t initlen) {
    ...
    if (initlen && init)
        memcpy(s, init, initlen); //将要传入的字符串拷贝给sds变量s
    s[initlen] = '\0'; //变量s末尾增加\0，表示字符串结束
    return s;
}

memcpy 函数会逐个字节的将字符串拷贝到 s 对应的内存区域中。

sdscatlen 字符串追加

sds sdscatlen(sds s, const void *t, size_t len) {
    size_t curlen = sdslen(s); // 获取字符串 len 大小
    //根据要追加的长度len和目标字符串s的现有长度，判断是否要增加新的空间
    //返回的还是字符串起始内存地址
    s = sdsMakeRoomFor(s,len);
    if (s == NULL) return NULL;
    // 将新追加的字符串拷贝到末尾
    memcpy(s+curlen, t, len);
    // 重新设置字符串长度
    sdssetlen(s, curlen+len);
    s[curlen+len] = '\0';
    return s;
}

在这个字符串追加的方法里，其实把空间检查和扩容封装在了 sdsMakeRoomFor 函数中，它里面所要做的就是：

1. 有没有剩余空间，有的话直接返回；
2. 没有剩余空间，那么需要扩容，扩容多少？
3. 字符串是否可以在原来的位置追加空间，还是需要重新申请一块内存区域。

那么下面我把 sdsMakeRoomFor 函数分为两部分来看：扩容、内存申请。

扩容

sds sdsMakeRoomFor(sds s, size_t addlen) {
    void *sh, *newsh;
    size_t avail = sdsavail(s); //这里是用 alloc-len,表示可用资源
    size_t len, newlen;
    char type, oldtype = s[-1] & SDS_TYPE_MASK;
    int hdrlen;

    if (avail >= addlen) return s; // 如果有空间剩余，那么直接返回

    len = sdslen(s); // 获取字符串 len 长度
    sh = (char*)s-sdsHdrSize(oldtype); //获取到header的指针
    newlen = (len+addlen); // 新的内存空间
    if (newlen < SDS_MAX_PREALLOC) //如果小于 1m， 那么存储空间直接翻倍
        newlen *= 2;
    else
        newlen += SDS_MAX_PREALLOC; //超过了1m，那么只会多增加1m空间
    ...
    return s;
}

对于扩容来说，首先会看一下空间是否足够，也就是根据 alloc-len 判断， 有剩余空间直接返回。

然后 Redis 会根据 sds 的大小不同来进行扩容，如果 len+addlen空间小于 1m，那么新的空间直接翻倍；如果 len+addlen空间大于 1m ，那么新空间只会增加 1m。

内存申请

sds sdsMakeRoomFor(sds s, size_t addlen) {
    ...

    type = sdsReqType(newlen); // 根据新的空间占用计算 sds 类型 

    hdrlen = sdsHdrSize(type); // header 长度
    if (oldtype==type) { // 和原来header一样，那么可以复用原来的空间
        newsh = s_realloc(sh, hdrlen+newlen+1); // 申请一块内存，并追加大小
        if (newsh == NULL) return NULL;
        s = (char*)newsh+hdrlen;
    } else {
        //如果header 类型变了，表示内存头变了，那么需要重新申请内存
        //因为如果使用s_realloc只会向后追加内存
        newsh = s_malloc(hdrlen+newlen+1);
        if (newsh == NULL) return NULL;
        memcpy((char*)newsh+hdrlen, s, len+1);
        s_free(sh); // 释放掉原内存
        s = (char*)newsh+hdrlen;
        s[-1] = type;
        sdssetlen(s, len);
    }
    sdssetalloc(s, newlen);//重新设置alloc字段
    return s;
}

在内存申请上，Redis 分为两种情况，一种是 sds header 类型没变，那么可以直接调用 realloc在原有内存后面追加新的内存区域即可；

另一种是 sds header 类型发生了变化，这里一般是 header 占用的空间变大了，因为 realloc 无法向前追加内存区域，所以只能调用 malloc 重新申请一块内存区域，然后通过 memcpy 将字符串拷贝到新的地址中去。

总结

通过这篇文章，我们深入学习到 Redis 的字符串是怎么实现，得知它通过版本的更迭做了哪些改变，大家可以自己拿 sds 和自己熟悉的语言的字符串实现做个对比，看看实现上有啥差异，哪个更好。

Reference

https://redis.io/docs/reference/internals/internals-sds/

https://github.com/antirez/sds