Redis设计与实现之压缩列表

一、压缩列表

1、ziplist的构成

2、节点的构成

pre_entry_length

encoding 和 length

content

3、创建新 ziplist

4、将节点添加到末端

5、将节点添加到某个/某些节点的前面

6、删除节点

7、遍历

8、查找元素、根据值定位节点

二、小结

一、压缩列表

Ziplist 是由一系列特殊编码的内存块构成的列表，一个 ziplist 可以包含多个节点(entry)，每个节点可以保存一个长度受限的字符数组(不以 \0 结尾的 char 数组)或者整数，包括:

• 字符数组

– 长度小于等于 63 (26 − 1)字节的字符数组
– 长度小于等于 16383 (214 − 1)字节的字符数组
– 长度小于等于 4294967295 (232 − 1)字节的字符数组

• 整数
– 4 位长，介于 0 至 12 之间的无符号整数 – 1 字节长，有符号整数
– 3 字节长，有符号整数
– int16_t 类型整数
– int32_t 类型整数
– int64_t 类型整数

因为 ziplist 节约内存的性质，它被哈希键、列表键和有序集合键作为初始化的底层实现来使用。本章先介绍 ziplist 的组成结构，以及 ziplist 节点的编码方式，然后介绍 ziplist 的添加操作和删除操作的执行过程，以及这两种操作可能引起的连锁更新现象，最后介绍 ziplist 的遍历方法和节点查找方式。

1、ziplist的构成

下图展示了一个 ziplist的典型分布结构：

图中各个域的作用如下：

为了方便地取出 ziplist的各个域以及一些指针地址， ziplist模块定义了以下宏：

因为 ziplist header 部分的长度总是固定的（ 4字节 +4字节 +2字节），因此将指针移动到表头节点的复杂度为常数时间；除此之外，因为表尾节点的地址可以通过 zltail计算得出，因此将指针移动到表尾节点的复杂度也为常数时间。

以下是用于操作 ziplist的函数：

因为 ziplist 由连续的内存块构成，在最坏情况下，当 ziplistPush 、ziplistDelete 这类对节点进行增加或删除的函数之后，程序需要执行一种称为连锁更新的动作来维持 ziplist 结构本身的性质，所以这些函数的最坏复杂度都为 O(N2) 。不过，因为这种最坏情况出现的概率并不高，所以大可以放心使用 ziplist ，而不必太担心出现最坏情况。

2、节点的构成

一个 ziplist 可以包含多个节点，每个节点可以划分为以下几个部分:

以下几个小节将分别对这个四个部分进行介绍。

pre_entry_length

pre_entry_length 记录了前一个节点的长度，通过这个值，可以进行指针计算，从而跳转到上一个节点。

上图展示了如何通过一个节点向前跳转到另一个节点:用指向当前节点的指针 e ，减去 pre_entry_length 的值(0000 0101 的十进制值，5)，得出的结果就是指向前一个节点的地址p。

根据编码方式的不同，pre_entry_length 域可能占用 1 字节或者 5 字节:

1 字节:如果前一节点的长度小于 254 字节，那么只使用一个字节保存它的值。
5 字节:如果前一节点的长度大于等于 254 字节，那么将第 1 个字节的值设为 254 ，然后用接下来的 4 个字节保存实际长度。

作为例子，以下是一个长度为 1 字节的 pre_entry_length 域，域的值为 128 (二进制为 1000 0000 ):

而以下则是一个长度为 5 字节的 pre_entry_length 域，域的第一个字节被设为 254 的二进制 1111 1110 ，而之后的四个字节则被设置为 10086 的二进制 10 0111 0110 0110 (多余的高位用 0 补完):

encoding 和 length

encoding 和 length 两部分一起决定了 content 部分所保存的数据的类型(以及长度)。其中，encoding 域的长度为两个 bit ，它的值可以是 00 、01 、10 和 11 :

• 00 、01 和 10 表示 content 部分保存着字符数组。

• 11 表示 content 部分保存着整数。
以 00 、01 和 10 开头的字符数组的编码方式如下:

表格中的下划线 _ 表示留空，而变量 b 、x 等则代表实际的二进制数据。为了方便阅读，多个字节之间用空格隔开。

11 开头的整数编码如下:

content

content 部分保存着节点的内容，它的类型和长度由 encoding 和 length 决定。以下是一个保存着字符数组 hello world 的节点的例子:

encoding 域的值 00 表示节点保存着一个长度小于等于 63 字节的字符数组，length 域给出了这个字符数组的准确长度——11 字节(的二进制 001011)，content 则保存着字符数组值 hello world 本身(为了表示的简单，content 部分使用字符而不是二进制表示)。

以下是另一个节点，它保存着整数 10086 :

encoding 域的值 11 表示节点保存的是一个整数;而 length 域的值 000000 表示这个节点的值的类型为 int16_t ;最后，content 保存着整数值 10086 本身(为了表示的简单，content 部分用十进制而不是二进制表示)。

3、创建新 ziplist

函数 ziplistNew 用于创建一个新的空白 ziplist ，这个 ziplist 可以表示为下图:

空白 ziplist 的表头、表尾和末端处于同一地址。
创建了 ziplist 之后，就可以往里面添加新节点了，根据新节点添加位置的不同，这个工作可以分为两类来进行:
1. 将节点添加到 ziplist 末端:在这种情况下，新节点的后面没有任何节点。
2. 将节点添加到某个/某些节点的前面:在这种情况下，新节点的后面有至少一个节点。

以下两个小节分别讨论这两种情况。

4、将节点添加到末端

将新节点添加到 ziplist 的末端需要执行以下三个步骤:

记录到达 ziplist 末端所需的偏移量(因为之后的内存重分配可能会改变 ziplist 的地址，因此记录偏移量而不是保存指针)
根据新节点要保存的值，计算出编码这个值所需的空间大小，以及编码它前一个节点的长度所需的空间大小，然后对 ziplist 进行内存重分配。
设置新节点的各项属性:pre_entry_length、encoding、length和content。
更新 ziplist 的各项属性，比如记录空间占用的 zlbytes ，到达表尾节点的偏移量 zltail，以及记录节点数量的 zllen 。

举个例子，假设现在要将一个新节点添加到只含有一个节点的 ziplist 上，程序首先要执行步骤

1 ，定位 ziplist 的末端:

然后执行步骤 2 ，程序需要计算新节点所需的空间: 假设我们要添加到节点里的值为字符数组 hello world ，那么保存这个值共需要 12 字节的空

间:

• 11 字节用于保存字符数组本身;

• 另外 1 字节中的 2 bit 用于保存类型编码 00 ，而其余 6 bit 则保存字符数组长度 11 的二进制 001011 。

另外，节点还需要 1 字节，用于保存前一个节点的长度 5 (二进制 101 )。

合算起来，为了添加新节点，ziplist 总共需要多分配 13 字节空间。以下是分配完成之后， ziplist 的样子:

步骤三，更新新节点的各项属性(为了表示的简单，content 的内容使用字符而不是二进制来表示):

最后一步，更新 ziplist 的 zlbytes 、zltail 和 zllen 属性:

到这一步，添加新节点到表尾的工作正式完成。

Note: 这里没有演示往空 ziplist 添加第一个节点的过程，因为这个过程和上面演示的添加第二个节点的过程类似;而且因为第一个节点的存在，添加第二个节点的过程可以更好地展示“将节点添加到表尾”这一操作的一般性。

5、将节点添加到某个/某些节点的前面

比起将新节点添加到 ziplist 的末端，将一个新节点添加到某个/某些节点的前面要复杂得多，因为这种操作除了将新节点添加到 ziplist 以外，还可能引起后续一系列节点的改变。举个例子，假设我们要将一个新节点 new 添加到节点 prev 和 next 之间:

程序首先为新节点扩大 ziplist 的空间:

然后设置 new 节点的各项值——到目前为止，一切都和前面介绍的添加操作一样:

现在，新的 new 节点取代原来的 prev 节点，成为了 next 节点的新前驱节点，不过，因为这时 next 节点的 pre_entry_length 域编码的仍然是 prev 节点的长度，所以程序需要将 new 节点的长度编码进 next 节点的 pre_entry_length 域里，这里会出现三种可能:

1. next 的 pre_entry_length 域的长度正好能够编码 new 的长度(都是 1 字节或者都是 5 字节)

2. next 的 pre_entry_length 只有 1 字节长，但编码 new 的长度需要 5 字节

3. next 的 pre_entry_length 有 5 字节长，但编码 new 的长度只需要 1 字节对于情况 1 和 3 ，程序直接更新 next 的 pre_entry_length 域。

如果是第二种情况，那么程序必须对 ziplist 进行内存重分配，从而扩展 next 的空间。然而，因为 next 的空间长度改变了，所以程序又必须检查 next 的后继节点——next+1 ，看它的 pre_entry_length 能否编码 next 的新长度，如果不能的话，程序又需要继续对 next+1 进行扩容。。

这就是说，在某个/某些节点的前面添加新节点之后，程序必须沿着路径一个个检查后续的节点是否满足新长度的编码要求，直到遇到一个能满足要求的节点(如果有一个能满足，那么这个节点之后的其他节点也满足)，或者到达 ziplist 的末端 zlend 为止，这种检查操作的复杂度为 O(N2) 。

不过，因为只有在新添加节点的后面有连续多个长度接近 254 的节点时，这种连锁更新才会发生，所以可以普遍地认为，这种连锁更新发生的概率非常小，在一般情况下，将添加操作看成是 O(N) 复杂度也是可以的。

执行完这三种情况的其中一种后，程序更新 ziplist 的各项属性，至此，添加操作完成。

Note: 在第三种情况中，程序实际上是可以执行类似于情况二的动作的:它可以一个个地检查新节点之后的节点，尝试收缩它们的空间长度，不过 Redis 决定不这么做，因为在一些情况下，比如前面提到的，有连续多个长度接近 254 的节点时，可能会出现重复的扩展——收缩 ——再扩展——再收缩的抖动(flapping)效果，这会让操作的性能变得非常差。

6、删除节点

删除节点和添加操作的步骤类似。

1) 定位目标节点，并计算节点的空间长度 target-size :

2) 进行内存移位，覆盖 target 原本的数据，然后通过内存重分配，收缩多余空间:

3) 检查 next 、next+1 等后续节点能否满足新前驱节点的编码。和添加操作一样，删除操作也可能会引起连锁更新。

7、遍历

可以对 ziplist 进行从前向后的遍历，或者从后先前的遍历。

当进行从前向后的遍历时，程序从指向节点 e1 的指针 p 开始，计算节点 e1 的长度(e1-size)，然后将 p 加上 e1-size ，就将指针后移到了下一个节点 e2 。。一直这样做下去，直到 p 遇到 ZIPLIST_ENTRY_END 为止，这样整个 ziplist 就遍历完了:

当进行从后往前遍历的时候，程序从指向节点 eN 的指针 p 出发，取出 eN 的 pre_entry_length 值，然后用 p 减去 pre_entry_length ，这就将指针移动到了前一个节点 eN-1 。一直这样做下去，直到 p 遇到 ZIPLIST_ENTRY_HEAD 为止，这样整个 ziplist 就遍历完了。