Redis数据结构与对象

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+title: Redis数据结构与对象
+categories: [Redis]
+tags: [后端, 中间件]
+date: 2023-11-05 22:40:00
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+
+## 1. 简单动态字符串（SDS）
+
+### 1.1 SDS的定义
+
+```c++
+struct sdshdr {
+    int len; // 记录buf数组中已使用的字节两，等于SDS所保存的字符串长度
+    int free;	// 记录buf数组中未使用的字节数量
+    char buf[]; // 字节数组，用于保存字符串
+}
+```
+
+![image-20210306123735804](./assets/2dnSaYf8ELbZwvJ.png)
+
+### 1.2 SDS与C字符串的区别
+
+- **常数复杂度获取字符串长度**
+- **杜绝缓存区溢出**：当SDS进行修改时，会先检查SDS的空间是否满足修改所需的要求，若不满足，会自动扩容，然后再执行修改。
+- **减少修改字符串时带来的内存重分配次数**：每次修改字符串都会重新分配空间，会对性能造成影响。
+  - 空间预分配：用于优化SDS字符串增长操作。
+  - 惰性空间释放：用于优化SDS字符串缩短操作。
+
+## 2. LinkedList链表
+
+### 2.1 链表和链表节点的实现
+
+`adlist.h/listNode`结构如下：
+
+```c
+typedef struct listNode {
+    struct listNode *prev;
+    struct listNode *next;
+    void *value;
+} listNode;
+```
+
+`adlist.h/list`结构如下：
+
+```c
+typedef struct list {
+    listNode *head;	// 表头节点
+    listNode *tail;	// 表尾节点
+    unsigned long len;	// 链表所包含的节点数量
+    void *(*dup) (void *ptr);	// 节点值复制函数
+    void (*free) (void *ptr);	// 节点释放函数
+    int (*match) (void *ptr, void *key);	// 节点值对比函数
+} list;
+```
+
+Redis实现的链表特性如下：
+
+- 双端：获取某个节点的前置节点和后置节点的复杂度都是O(1)。
+- 无环：表头指针和表尾指针都指向NULL，对链表的访问以NULL为终点。
+- 带表头指针和表尾指针
+- 带链表长度计数器
+- 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，链表可以用于保存不同类型的值。
+
+## 3. 字典(Dict)
+
+### 3.1 字典的实现
+
+Redis底层字典使用哈希表作为底层实现，一个哈希表里面可以有多个哈希表节点，而每个哈希表节点就保存了字典中的一个键值对。
+
+```c
+typedef struct dictht {
+    dictRntry **table;	// 哈希表数组
+    unsigned long size;	// 哈希表大小
+    unsigned long sizemask; //哈希表大小掩码，用于计算索引值，总是等于size=1
+    unsigned long used;	//哈希表已有节点的数量
+}
+```
+
+#### 哈希表节点
+
+使用`dictEntry`结构表示：
+
+```c
+typedef struct dictEntry {
+    void *key;
+    union {
+        void *val;
+        uint64_tu64;
+        int64_ts64;
+    } v;
+    struct dictEntry *next;
+} dictEntry;
+```
+
+`key`保存键，`v`保存值，`next`指针指向下一个节点.
+
+#### 字典
+
+```c
+typedef struct dict {
+    dictType *type;	// 类型特定函数
+    void *privdata;	// 私有数据
+    dictht ht[2];	// 哈希表
+    int trehashidx; // rehash索引，当rehash值不在，值为1
+} dict;
+```
+
+#### 哈希算法
+
+```c
+// 使用字典设置的哈希函数，计算键key的哈希值
+hash = dict->type->hashFunction(key);
+// 使用哈希表的sizemask属性和哈希值，计算出索引值
+index = hash & dict->ht[x].sizemask;
+```
+
+#### 解决键冲突
+
+链地址法：总是将新节点添加到链表表头的位置。
+
+![image-20210306143633380](./assets/oJ8tYES64POIUGk.png)
+
+## 4. 跳跃表(Skip List)
+
+![image-20210306181234657](./assets/dTis4hCSugZoXyn.png)
+
+图片最左侧是跳跃表结构：
+
+- `header`：跳跃表头节点
+- `tail`：指向跳跃表的表头节点
+- `level`：记录目前跳跃表内，层数最大的那个节点的层数（表头节点层数不计算再内）
+- `length`：记录跳跃表的长度，即跳跃表目前包含节点的数量（表头节点不计算在内）
+- 后退指针`BW`：指向位于当前节点的前一个节点
+- 分值`score`：节点按照各自保存的分支从小到大排列
+
+### 4.1 跳跃表节点
+
+```c
+typedef struct zskiplistNode {
+    robj *obj;
+    double score;
+    struct zskiplistNode *backward; //后向指针
+    struct zskiplistLevel {
+        struct zskiplistNode *forward;//每一层中的前向指针
+        unsigned int span;//x.level[i].span 表示节点x在第i层到其下一个节点需跳过的节点数。注：两个相邻节点span为1
+    } level[];
+} zskiplistNode;
+```
+
+`level`数组可以包含多个元素，每个元素都包含一个指向其它节点的指针。
+
+每次创建一个新的跳跃表节点的时候，程序根据幂次定律(越大的数出现的而概率越小)随机生成一个介于1和32之间的值作为`level`数组的z小。
+
+在同一个跳跃表中，各个节点保存的成员对象必须是唯一的，但多个节点保存的分值可以是相同的：分值相同的节点将按照成员对象在字典序中的大小来进行排序。
+
+## 5. 整数集合(intset)
+
+```c
+typedef struct intset {
+    uint32_t encoding;	// 编码方式
+    uint32_t length;	// 包含元素数量
+    int8_t contents[];	// 保存元素的数组
+} intset;
+```
+
+- `contents`中的数据是从小到大排列，并且数组中不包含重复项
+- `length`记录包含元素数量，也是`contents`数组的长度
+
+**升级**
+
+当新元素类型比现在集合中元素类型要长时，需要对集合进行升级。
+
+1. 根据新元素类型，扩展整数集合底层数组的空间大小，并为新元素分配空间。
+2. 将底层数组现有的所有元素都转换成与新元素相同的类型，并将类型转换后的元素放到正确的位置上，需要维持有序性不变。
+
+## 6. 压缩列表(ziplist)
+
+![image-20210306204120032](./assets/E1YPyZ5Tjpk8CIH.png)