Redis 原理 - String

String 数据结构

首先我来看下, Redis 中 String 的数据结构:

我们称之为 SDS (Simple Dynamic String) 简单动态字符串

struct sdshdr {
    //记录buf数组中已经使用的字节数(等价于字符串的长度strlen)
    int len;

    //记录buf数组中未使用的字节数(用于动态扩容)
    int free;

    //字节数组,用于保存字符串
    char buf[];
}

对比C语言字符串:

• 优化了获取字符串长度的时间复杂度为: O(1)

  因为 SDS 维护了一个 len 字段，这个字段的设置和更新是由 SDS 的 API 在执行时自动完成的。

• 杜绝缓冲区溢出

  在使用 c 语言函数 strcat(s1, " Cluster") (在 s1 字符串后面拼接另一个字符串) 时，如果忘记提前为 s1 分配足够的空间，那么 strcat 函数执行之后， 将会导致s1后面的空间内容被意外修改。
  
  而 Redis 在对 SDS 修改时，会提前检查长度时候足够，才执行相关操作， 如果长度不够，会先扩展 s 的空间， 再执行

• 减少内存重分配

  在 SDS 维护了 free 字段，可以知道未使用的字节数，这样在动态扩充字符串时可以根据这个值判断要不要重新分配内存

• 二进制安全

  C语言是依靠 \0 作为字符串的结束标志的,这意味着字符串中间不能再次包含 \0 字符, 而 SDS 记录了字符串的实际长度, 所以它可以做更多的事情, 比如保存图片

• 兼容部分 C字符串函数

  虽然 SDS 是 二进制安全的，但他们都遵守在字符串末尾额外分配一个字节容纳 \0 当结尾，这就是为了让那些保存文本数据的 SDS 可以重用 <string.h> 库

RedisObject 数据结构

在redis中存储的每个对象都表示为一个redisObject,它记录了这个对象的数据类型,编码方式,指向实际内容的指针等

typedef struct redisObject {
    // 类型 4bits (String,Hash,Set,List等)
    unsigned type:4;

    // 编码方式 4bits (int, embstr, raw 等)
    unsigned encoding:4;

    // LRU 时间（相对于 server.lruclock） 24bits
    unsigned lru:22;

    // 引用计数 Redis里面的数据可以通过引用计数进行共享 32bits
    int refcount;

    // 指向实际存储的对象 (比如:指向一个SDS字符串对象) 64bits
    void *ptr;
} robj;

String的三种编码方式

• int

  当保存的值为整数且值的大小不超过long的范围,使用整数存储

• embstr

  当字符串长度不超过44个字节时,使用embstr编码
  
  (只实现一次分配内存空间,只允许读,若修改数据,就会转成raw编码)

• raw

  大于44字节时,用raw编码

int编码不必多说,为了数值计算方便

为什么要分为 embstr 和 raw 呢?

首先来张图,直观感受下,这2种存储方式的内存布局:

• embstr 是连续存储的,也就是说 RedisObject 对象头 和 SDS 字符串的实际内容 是连续在一起存储的,也就是 RedisObject 中的ptr 指向的内容,就紧跟着在后面 (只要分配1次内存)
• raw 是不连续存储的, ptr 指向的内容,是单独分配的(要分配2次内存)

这么做的原因当然是为了性能考虑,Redis考虑到多数字符串,可能都不会很长, 这样使用 embstr 只需分配一次内存(也很小),而且还是连续的存储,性能很高,也有利于减少内存碎片

String编码演示

• 使用 TYPE key 查看对象的数据类型
• 使用 OBJECT ENCODING key 查看对象的编码方式

演示 int 编码:

127.0.0.1:6379> set age 100
OK
127.0.0.1:6379> type age
string
127.0.0.1:6379> object encoding age
"int"

演示 embstr 编码:

127.0.0.1:6379> SET name tom
OK
127.0.0.1:6379> TYPE name
string
127.0.0.1:6379> OBJECT ENCODING name
"embstr"

演示 raw 编码:

127.0.0.1:6379> set name sdsdnjjkasjdnnjasjdnasldklaksdkkansndmasdulasndnkadashdahsdhkpasduasdybasbdvcfaffafkgsaas
OK
127.0.0.1:6379> type name
string
127.0.0.1:6379> object encoding name
"raw"

String的常用命令

• SET: 添加或修改一个已经存在的String类型的键值对
• GET: 根据key获取String类型的value
• INCR: 让一个整形存储的String类型的value自增1
• INCRBY: 让一个整形存储的String类型的value自增指定的步长, 例如 incrby num 2, 让num的值自增2
• INCRBYFLOAT: 让一个浮点类型的数值自增指定的步长
• SETNX: 添加一个String类型的键值对,前提是这个key不存在,否则不执行(可用于实现分布式锁)
• SETEX: 添加一个String类型的键值对,并且指定超时时间
• 更多 String 命令,请查阅 官方文档