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redis数据结构及内部编码-string数据结构

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日薪月亿
发布2019-09-17 11:15:35
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发布2019-09-17 11:15:35
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文章被收录于专栏:技术探索技术探索

在redis中,当我们想要知道一个key的类型的时候,我们可以使用type命令 eg

127.0.0.1:6379> set a "123"
OK
127.0.0.1:6379> type a
string

如果这个key不存在的话,会返回none eg:

127.0.0.1:6379> type abcd
none

type命令实际返回的就是当前键的数据结构类型,它们分别是:

  • string(字符串)
  • hash(哈希)
  • list(列表)
  • set(集合)
  • zset(有序集合) 但这些只是Redis对外的数据结构。每种数据结构都有自己底层的内部实现,并且每个都有多种实现,这样方便redis在合适的场景选择适合当前的编码方式。 下图是redis每种数据结构对应的内部编码
  • image.png
    image.png

redis数据结构内部编码 我们 可以通过 object encoding命令查询 eg:

127.0.0.1:6379> set hello "sss"
OK
127.0.0.1:6379> object encoding hello
"embstr"
127.0.0.1:6379> set hel "123"
OK
127.0.0.1:6379> object encoding hel
"int"
127.0.0.1:6379> set bigstr "dddddddddddfffffffffffdddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddsssssss"
OK
127.0.0.1:6379> object encoding bigstr
"raw"

从上面查询的结果我们可以看到,redis的string数据结构会根据输入的value不同使用不同的数据结构。 下面我们从源码(基于redis 5.0.5)来分析下 在redis中,的每个键值内部都是使用一个名字叫做 redisObject 这个 C语言结构体保存的,其代码如下:

typedef struct redisObject {
    unsigned type:4;
    unsigned encoding:4;
    unsigned lru:LRU_BITS; /* LRU time (relative to global lru_clock) or
                            * LFU data (least significant 8 bits frequency
                            * and most significant 16 bits access time). */
    int refcount;
    void *ptr;
} robj;
  • type:表示键值的数据类型,包括 String、List、Set、ZSet、Hash
  • encoding:表示键值的内部编码方式,从 Redis源码看目前取值有如下几种:
/* Objects encoding. Some kind of objects like Strings and Hashes can be
 * internally represented in multiple ways. The 'encoding' field of the object
 * is set to one of this fields for this object. */
#define OBJ_ENCODING_RAW 0     /* Raw representation */
#define OBJ_ENCODING_INT 1     /* Encoded as integer */
#define OBJ_ENCODING_HT 2      /* Encoded as hash table */
#define OBJ_ENCODING_ZIPMAP 3  /* Encoded as zipmap */
#define OBJ_ENCODING_LINKEDLIST 4 /* No longer used: old list encoding. */
#define OBJ_ENCODING_ZIPLIST 5 /* Encoded as ziplist */
#define OBJ_ENCODING_INTSET 6  /* Encoded as intset */
#define OBJ_ENCODING_SKIPLIST 7  /* Encoded as skiplist */
#define OBJ_ENCODING_EMBSTR 8  /* Embedded sds string encoding */
#define OBJ_ENCODING_QUICKLIST 9 /* Encoded as linked list of ziplists */
#define OBJ_ENCODING_STREAM 10 /* Encoded as a radix tree of listpacks */
  • refcount:表示该键值被引用的数量,即一个键值可被多个键引用。

String类型的内部编码 在了解string类型的内部编码之前,我们先看下SDS:

SDS(简单动态字符串): 当你在阅读源码的时候,你可以很容易见到这个这个词。在代码里定义了5种SDS(源码在sds.h)


/* Note: sdshdr5 is never used, we just access the flags byte directly.
 * However is here to document the layout of type 5 SDS strings. */
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr5 {
    unsigned char flags; /* 3 lsb of type, and 5 msb of string length */
    char buf[];
};
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr8 {
    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 {
    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 {
    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 {
    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[];
};

从上面的代码片段中,我们可以看出每个struct内的变量都差不多

  • len:字符串的长度(实际使用的长度)
  • alloc:分配内存的大小
  • flags:标志位,低三位表示类型,其余五位未使用
  • buf:字符数组

通过上面的一系列枯燥的铺垫,我们开始切入正题

1. INT 编码方式

当字符串键值的内容可以用一个64位有符号整型表示的时候,redis会将键值转换为long类型来存储,其对应的编码类型为:OBJ_ENCODING_INT

对于set hel "123"命令,内存结构如下

image.png
image.png

Redis 启动时会预先建立 10000 个分别存储 0~9999 的 redisObject 变量作为共享对象,这就意味着如果 set字符串的键值在 0~10000 之间的话,则可以 直接指向共享对象 而不需要再建立新对象。

/* Check if we can represent this string as a long integer.
   * Note that we are sure that a string larger than 20 chars is not
   * representable as a 32 nor 64 bit integer. */
  len = sdslen(s);
  // 长度小于20 (64位有符号整型)
  if (len <= 20 && string2l(s,len,&value)) {
      /* This object is encodable as a long. Try to use a shared object.
       * Note that we avoid using shared integers when maxmemory is used
       * because every object needs to have a private LRU field for the LRU
       * algorithm to work well. */
      // 当value在[0,1000)的时候,使用字符串的共享策略
      if ((server.maxmemory == 0 ||
          !(server.maxmemory_policy & MAXMEMORY_FLAG_NO_SHARED_INTEGERS)) &&
          value >= 0 &&
          value < OBJ_SHARED_INTEGERS)
      {
          decrRefCount(o);
          incrRefCount(shared.integers[value]);
          return shared.integers[value];
      } else {
          if (o->encoding == OBJ_ENCODING_RAW) sdsfree(o->ptr);
          o->encoding = OBJ_ENCODING_INT;
          o->ptr = (void*) value;
          return o;
      }
  }

2. EMBSTR编码格式

Redis 在保存长度小于 44 字节的字符串时会采用 OBJ_ENCODING_EMBSTR 编码方式,源码如下(object.c):

/* Create a string object with EMBSTR encoding if it is smaller than
 * OBJ_ENCODING_EMBSTR_SIZE_LIMIT, otherwise the RAW encoding is
 * used.
 *
 * The current limit of 44 is chosen so that the biggest string object
 * we allocate as EMBSTR will still fit into the 64 byte arena of jemalloc. */
#define OBJ_ENCODING_EMBSTR_SIZE_LIMIT 44
robj *createStringObject(const char *ptr, size_t len) {
    //字符串长度小于等于44的时候使用embstr编码格式,大于44的时候使用raw编码格式
    if (len <= OBJ_ENCODING_EMBSTR_SIZE_LIMIT)
        return createEmbeddedStringObject(ptr,len);
    else
        return createRawStringObject(ptr,len);
}

* Create a string object with encoding OBJ_ENCODING_EMBSTR, that is
 * an object where the sds string is actually an unmodifiable string
 * allocated in the same chunk as the object itself. */
robj *createEmbeddedStringObject(const char *ptr, size_t len) {
    robj *o = zmalloc(sizeof(robj)+sizeof(struct sdshdr8)+len+1);
    struct sdshdr8 *sh = (void*)(o+1);

    o->type = OBJ_STRING;
    o->encoding = OBJ_ENCODING_EMBSTR;
    o->ptr = sh+1;
    o->refcount = 1;
    if (server.maxmemory_policy & MAXMEMORY_FLAG_LFU) {
        o->lru = (LFUGetTimeInMinutes()<<8) | LFU_INIT_VAL;
    } else {
        o->lru = LRU_CLOCK();
    }

    sh->len = len;
    sh->alloc = len;
    sh->flags = SDS_TYPE_8;
    if (ptr == SDS_NOINIT)
        sh->buf[len] = '\0';
    else if (ptr) {
        memcpy(sh->buf,ptr,len);
        sh->buf[len] = '\0';
    } else {
        memset(sh->buf,0,len+1);
    }
    return o;
}

指令 set hello “sss” 所设置的键值,其内存结构示意图如下:

image.png
image.png

3. RAW 编码格式

通过上面的源码分析,当字符串键值的长度大于44的时候,redis会将键值的内部编码方式改为OBJ_ENCODING_RAW格式

/* Create a string object with encoding OBJ_ENCODING_RAW, that is a plain
 * string object where o->ptr points to a proper sds string. */
robj *createRawStringObject(const char *ptr, size_t len) {
    return createObject(OBJ_STRING, sdsnewlen(ptr,len));
}


/* ===================== Creation and parsing of objects ==================== */

robj *createObject(int type, void *ptr) {
    robj *o = zmalloc(sizeof(*o));
    o->type = type;
    o->encoding = OBJ_ENCODING_RAW;
    o->ptr = ptr;
    o->refcount = 1;

    /* Set the LRU to the current lruclock (minutes resolution), or
     * alternatively the LFU counter. */
    if (server.maxmemory_policy & MAXMEMORY_FLAG_LFU) {
        o->lru = (LFUGetTimeInMinutes()<<8) | LFU_INIT_VAL;
    } else {
        o->lru = LRU_CLOCK();
    }
    return o;
}

与上面的 OBJ_ENCODING_EMBSTR 编码方式的不同之处在于 此时动态字符串 sds 的内存与其依赖的 redisObject 的内存不再连续了

image.png
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原始发表:2019-09-16,如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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  • 2. EMBSTR编码格式
  • 3. RAW 编码格式
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