Redis的设计与实现(2)-链表

链表在 Redis 中的应用非常广泛, 比如列表键的底层实现之一就是链表: 当一个列表键包含了数量比较多的元素, 又或者列表中包含的元素都是比较长的字符串时, Redis 就会使用链表作为列表键的底层实现.

除了链表键之外, 发布与订阅, 慢查询, 监视器等功能也用到了链表, Redis 服务器还使用链表保存多个客户端的状态信息, 以及使用链表来构建客户端输出缓冲区（output buffer）.

1. 链表的定义

每个链表节点使用一个 adlist.h/listNode 结构来表示：

typedef struct listNode {
    // 前置节点
    struct listNode *prev;
    // 后置节点
    struct listNode *next;
    // 节点的值
    void *value;
} listNode;

使用 adlist.h/list 来操作链表会更方便

typedef struct list {
    // 表头节点
    listNode *head;
    // 表尾节点
    listNode *tail;
    // 链表所包含的节点数量
    unsigned long len;
    // 节点值复制函数
    void *(*dup)(void *ptr);
    // 节点值释放函数
    void (*free)(void *ptr);
    // 节点值对比函数
    int (*match)(void *ptr, void *key);
} list;

可见, 它是一个双向链表.

head, tail 和 len 分别是表头表尾指针和节点数量, 而 dup, free 和 match 则是用于实现多态链表所需的类型特定函数：

• dup 函数用于复制链表节点所保存的值;
• free 函数用于释放链表节点所保存的值;
• match 函数则用于对比链表节点所保存的值和另一个输入值是否相等.

(有点面向对象的味道)

2. 链表的API

函数	作用	时间复杂度
listSetDupMethod	将给定的函数设置为链表的节点值复制函数	O(1)
listGetDupMethod	返回链表当前正在使用的节点值复制函数	复制函数可以通过链表的 dup 属性直接获得, O(1)
listSetFreeMethod	将给定的函数设置为链表的节点值释放函数	O(1)
listGetFree	返回链表当前正在使用的节点值释放函数	释放函数可以通过链表的 free属性直接获得, O(1)
listSetMatchMethod	将给定的函数设置为链表的节点值对比函数	O(1)
listGetMatchMethod	返回链表当前正在使用的节点值对比函数	对比函数可以通过链表的 `match` 属性直接获得, O(1)
listLength	返回链表的长度(包含了多少个节点)	链表长度可以通过链表的 `len` 属性直接获得, O(1)
listFirst	返回链表的表头节点	表头节点可以通过链表的 `head` 属性直接获得, O(1)
listLast	返回链表的表尾节点	表尾节点可以通过链表的 tail 属性直接获得, O(1)
listPrevNode	返回给定节点的前置节点	前置节点可以通过节点的 prev 属性直接获得, O(1)
listNextNode	返回给定节点的后置节点	后置节点可以通过节点的 next 属性直接获得, O(1)
listNodeValue	返回给定节点目前正在保存的值	节点值可以通过节点的 value 属性直接获得, O(1)
listCreate	创建一个不包含任何节点的新链表	O(1)
listAddNodeHead	将一个包含给定值的新节点添加到给定链表的表头	O(1)
listAddNodeTail	将一个包含给定值的新节点添加到给定链表的表尾	O(1)
listInsertNode	将一个包含给定值的新节点添加到给定节点的之前或者之后	O(1)
listSearchKey	查找并返回链表中包含给定值的节点	O(N), N 为链表长度
listIndex	返回链表在给定索引上的节点	O(N), N 为链表长度
listDelNode	从链表中删除给定节点	O(1)
listRotate	将链表的表尾节点弹出, 然后将被弹出的节点插入到链表的表头, 成为新的表头节点	O(1)
listDup	复制一个给定链表的副本	O(N), N 为链表长度
listRelease	释放给定链表, 以及链表中的所有节点	O(N), N 为链表长度

3. 总结

双端: 节点带有 prev 和 next 指针, 获取其前置和后置节点的复杂度都是 O(1);

无环: 表头节点的 prev 指针和表尾节点的 next 指针都指向 NULL, 对链表的访问以 NULL 为终点;

带表头指针和表尾指针: 通过 list 结构的 head 指针和 tail 指针, 获取表头和表尾节点的复杂度为 O(1);

带链表长度计数器: 通过 list 结构的 len 属性, 程序获取链表中节点数量的复杂度为 O(1);

多态: 链表节点使用 void* 指针来保存节点值, 并且可以通过 list 结构的 dup, free, match 三个属性为节点值设置类型特定函数, 可以用于保存各种不同类型的值.

4. 重点回顾

• 链表被广泛用于实现 Redis 的各种功能, 比如列表键, 发布与订阅, 慢查询, 监视器, 等等;
• 每个链表节点由一个 listNode 结构来表示, 每个节点都有一个指向前置节点和后置节点的指针, 所以 Redis 的链表实现是双端链表;
• 每个链表使用一个 list 结构来表示, 这个结构带有表头节点指针, 表尾节点指针, 以及链表长度等信息;
• 因为链表表头节点的前置节点和表尾节点的后置节点都指向 NULL , 所以 Redis 的链表实现是无环链表;
• 通过为链表设置不同的类型特定函数, Redis 的链表可以用于保存各种不同类型的值.

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文章来源于本人博客，发布于 2018-04-12，原文链接：https://imlht.com/archives/122/