Redis 的基础数据结构(二) 整数集合、跳跃表、压缩列表

原文地址:https://www.xilidou.com/2018/03/13/redis-data2/

上篇文章写了 Redis 基础数据结构的可变字符串、链表、字典。大家可以点击链接查看。今天我们继续研究 Redis 的基础数据结构。

  • 整数集合
  • 跳跃表
  • 压缩列表

整数集合

当一个集合只包含整数,且这个集合的元素不多的时候,Redis 就会使用整数集合 intset 。首先看 intset 的数据结构:

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typedef struct intset {

// 编码方式
uint32_t encoding;

// 集合包含的元素数量
uint32_t length;

// 保存元素的数组
int8_t contents[];
} intset;

其实 intset 的数据结构比较好理解。一个数据保存元素,length 保存元素的数量,也就是contents的大小,encoding 用于保存数据的编码方式。

通过代码我们可以知道,encoding 的编码类型包括了:

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#define INTSET_ENC_INT16 (sizeof(int16_t))
#define INTSET_ENC_INT32 (sizeof(int32_t))
#define INTSET_ENC_INT64 (sizeof(int64_t))

实际上我们可以看出来。 Redis encoding的类型,就是指数据的大小。作为一个内存数据库,采用这种设计就是为了节约内存。

既然有从小到大的三个数据结构,在插入数据的时候尽可能使用小的数据结构来节约内存,如果插入的数据大于原有的数据结构,就会触发扩容。

扩容有三个步骤:

  1. 根据新元素的类型,修改整个数组的数据类型,并重新分配空间
  2. 将原有的的数据,装换为新的数据类型,重新放到应该在的位置上,且保存顺序性
  3. 再插入新元素

整数集合不支持降级操作,一旦升级就不能降级了。

跳跃表

跳跃表是链表的一种,是一种利用空间换时间的数据结构。跳表平均支持 O(logN),最坏O(N)复杂度的查找。

跳表是由一个zskiplist 和 多个 zskiplistNode 组成。我们先看看他们的结构:

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/* ZSETs use a specialized version of Skiplists */
/*
* 跳跃表节点
*/
typedef struct zskiplistNode {

// 成员对象
robj *obj;

// 分值
double score;

// 后退指针
struct zskiplistNode *backward;

// 层
struct zskiplistLevel {

// 前进指针
struct zskiplistNode *forward;

// 跨度
unsigned int span;

} level[];

} zskiplistNode;

/*
* 跳跃表
*/
typedef struct zskiplist {

// 表头节点和表尾节点
struct zskiplistNode *header, *tail;

// 表中节点的数量
unsigned long length;

// 表中层数最大的节点的层数
int level;

} zskiplist;

所以根据这个代码我们可以画出如下的结构图:

zskiplist

其实跳表就是一个利用空间换时间的数据结构,利用 level 作为链表的索引。

之前有人问过 Redis 的作者 为什么使用跳跃表,而不是 tree 来构建索引?作者的回答是:

  1. 省内存。
  2. 服务于 ZRANGE 或者 ZREVRANGE 是一个典型的链表场景。时间复杂度的表现和平衡树差不多。
  3. 最重要的一点是跳跃表的实现很简单就能达到 O(logN)的级别。

压缩列表

压缩链表 Redis 作者的介绍是,为了尽可能节约内存设计出来的双向链表。

对于一个压缩列表代码里注释给出的数据结构如下:

ziplist

zlbytes 表示的是整个压缩列表使用的内存字节数

zltail 指定了压缩列表的尾节点的偏移量

zllen 是压缩列表 entry 的数量

entry 就是 ziplist 的节点

zlend 标记压缩列表的末端

这个列表中还有单个指针:

ZIPLIST_ENTRY_HEAD 列表开始节点的头偏移量

ZIPLIST_ENTRY_TAIL 列表结束节点的头偏移量

ZIPLIST_ENTRY_END 列表的尾节点结束的偏移量

再看看一个 entry 的结构:

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/*
* 保存 ziplist 节点信息的结构
*/
typedef struct zlentry {

// prevrawlen :前置节点的长度
// prevrawlensize :编码 prevrawlen 所需的字节大小
unsigned int prevrawlensize, prevrawlen;

// len :当前节点值的长度
// lensize :编码 len 所需的字节大小
unsigned int lensize, len;

// 当前节点 header 的大小
// 等于 prevrawlensize + lensize
unsigned int headersize;

// 当前节点值所使用的编码类型
unsigned char encoding;

// 指向当前节点的指针
unsigned char *p;

} zlentry;

依次解释一下这几个参数。

prevrawlen 前置节点的长度,这里多了一个 size,其实是记录了 prevrawlen 的尺寸。Redis 为了节约内存并不是直接使用默认的 int 的长度,而是逐渐升级的。
同理 len 记录的是当前节点的长度,lensize 记录的是 len 的长度。
headersize 就是前文提到的两个 size 之和。
encoding 就是这个节点的数据类型。这里注意一下 encoding 的类型只包括整数和字符串。
p 节点的指针,不用过多的解释。

需要注意一点,因为每个节点都保存了前一个节点的长度,如果发生了更新或者删除节点,则这个节点之后的数据也需要修改,有一种最坏的情况就是如果每个节点都处于需要扩容的零界点,就会造成这个节点之后的节点都要修改 size 这个参数,引发连锁反应。这个时候就是 压缩链表最坏的时间复杂度 O(n^2)。不过所有节点都处于临界值,这样的概率可以说比较小。

总结

至此Redis的基本数据结构就介绍完了。我们可以看到 Redis 对内存的使用真是“斤斤计较”,对于内存是使用特别节约。同时 Redis 作为一个单线程应用,不用考虑并发的问题,将很多类似 size 或者 length 的参数暴露出来,将很多 O(n) 的操作降低为 O(1)。大大提升效率。下一讲,将会介绍 Redis 是怎么通过这些数据结构向外提供服务。
Redis 的代码真是写的太棒了,简洁高效。值得大家学习。

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