Redis 底层数据结构

一、简单动态字符串

简单动态字符串（Simple Dynamic String，简称SDS）是Redis底层实现中使用的一种字符串表示方式，它具有自我调整和内存优化功能。SDS的结构如下：

struct sdshdr {
	// 记录buf数组中已使用字节的数量
	// 等于SDS所保存字符串的长度
	int len;
	//记录buf数组中未使用字节的数量
	int free;
	// 字符数组，用于保存字符串
	char buf[];
}

SDS遵循C字符串以空字符结尾的惯例，保存空字符的1字节空间不计算在SDS的len属性里面

1.1 内存管理

Redis对SDS的内存管理进行了优化。当字符串长度小于16个字节时，Redis会尝试将字符串直接存储在SDS结构中。如果字符串长度超过16个字节，Redis会使用额外的内存来存储字符串。此外，当未使用的空间大于16个字节时，Redis会尝试回收未使用的空间，以减少内存浪费。

1.2 简单动态字符串与C字符串的区别

1.2.1 常数复杂度获取字符串长度

C字符串并不记录自身的长度信息，获取一个C字符串的长度，必须遍历整个字符串，对遇到的字符进行计数，直到遇到代表字符串结尾的空字符为止，复杂度为O(n)；而SDS在len属性中记录了SDS的本身长度，复杂度为O(1)。

1.2.2 杜绝缓冲区溢出

C字符串不记录自身长度容易造成缓冲区溢出，SDS的空间分配策略完全杜绝了发生缓冲区的可能性。当SDS API需要对SDS进行修改时，API会先检查SDS的空间是否满足修改所需的要求，如果不满足的话，API会自动将SDS的空间扩展至执行修改所需的大小，然后才执行实际的修改操作。

1.2.3 减少修改字符串时带来的内存重分配次数

通过未使用空间，SDS实现了空间预分配和惰性空间释放两种优化策略：

1. 空间预分配，当SDS的API对一个SDS进行修改，并且需要对SDS进行空间扩展的时候，程序不仅会为SDS分配修改所必须要的空间，还会为SDS分配额外的未使用空间
2. 惰性空间释放，当SDS的API需要缩短SDS保存的字符串时，程序并不会立即使用内存分配来回收缩短后多出来的字节，而是使用free属性将这些字节的数量记录起来，等待将来使用。

1.2.4 二进制安全

C字符串中的字符必须符合某种编码，并且除了字符串的末尾之外，字符串里面不能包含空字符。Redis使用字节数组保存一系列的二进制数据，使用len属性的值而不是空字符判断字符串是否结束。

1.2.5 兼容部分C字符串函数

1.3 常用API

sdsnew(const char *init)：创建一个新的SDS，并以C字符串init进行初始化。
sdsempty()：创建一个空的SDS。
sdslen(const sds s)：返回SDS中存储的字符串的长度。
sdsavail(const sds s)：返回SDS中未使用的字节数。
sdsdup(const sds s)：复制一个SDS，并返回副本。
sdscpy(sds s, const char *t)：将C字符串t复制到SDS s 中。
sdscat(sds s, const char *t)：将C字符串t追加到SDS s 的末尾。
sdscatsds(sds s, const sds t)：将另一个SDS t 追加到SDS s 的末尾。
sdscmp(const sds s1, const sds s2)：比较两个SDS的内容。
sdsfree(sds s)：释放一个SDS的内存。

二、链表

Redis的链表是一种双向链表，每个节点都包含了一个指向下一个节点和上一个节点的指针。这种设计使得Redis的链表具有高效的插入、删除和搜索操作。
节点结构：每个节点都包含了一个指向下一个节点的指针（next）和一个指向前一个节点的指针（prev）。此外，节点还包含了存储数据的空间。

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

链表结构：多个节点组合在一起，形成了Redis中的链表。链表的头部节点包含了一个指向第一个节点的指针（head）和一个指向最后一个节点的指针（tail）。

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;

2.1 链表的特性

• 双端：链表节点带有prev和next指针，获取某个节点的前置节点和后置节点的复杂度都是0(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：程序获取链表的表头节点和表尾节点的复杂度为O(1)。
• 带链表长度计数器：程序使用list结构的1en属性来对list持有的链表节点进行计数，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，所以链表可以用于保存各种不同类型的值。

三、字典

Redis的字典是一个哈希表，用于存储键值对数据。在Redis中，字典的键是唯一的，而值可以是任意类型。与传统的哈希表不同，Redis的字典提供了丰富的操作命令和特性，使得我们能够更加方便地管理和查询数据。

3.1 数据结构

Redis字典所使用的哈希表的结构定义如下：

typedef struct dictht {
	// 哈希表数组
	dictEntry **table;
	// 哈希表大小
	unsigned long size;
	// 哈希表大小掩码，用于计算索引值，总是等于 size-1
	unsigned long sizemask;
	// 该哈希表已有节点的数量
	unsigned long used;
} dictht;

哈希表节点使用dictEntry结构标识，每个dictEntry结构都保存着一个键值对：

typedef struct dictEntry {
	// 键
	void *key;
	// 值
	union {
		void *val;
		uint64_t u64;
		int64_t s64;
	} v;
	// 指向下个哈希表节点，形成链表
	struct dictEntry *next;
} dictEntry;

Redis中的字典由dict结构表示：

typedef struct dict{
	// 类型特定函数
	dictType *type;
	// 私有数据
	void *privdata;
	// 哈希表
	dictht ht[2];
	// rehash索引，当rehash不再进行时，值为-1
	int trehashidx;
} dict;