Redis经典五大类型源码及底层实现（一）

👏作者简介：大家好，我是爱吃芝士的土豆倪，24届校招生Java选手，很高兴认识大家
📕系列专栏：Spring源码、JUC源码、Kafka原理、分布式技术原理、数据库技术
🔥如果感觉博主的文章还不错的话，请👍三连支持👍一下博主哦
🍂博主正在努力完成2023计划中：源码溯源，一探究竟
📝联系方式：nhs19990716，加我进群，大家一起学习，一起进步，一起对抗互联网寒冬👀

文章目录

Redis经典五大类型源码及底层实现
- 经典面试题
- redis源码
- 核心部分
- - 数据结构
  - Redis数据库的实现
  - Redis服务端和客户端实现
  - Redis字典数据库KV键值对是什么？
  - 10大类型
  - 上帝视角
  - RedisObject结构体
  - - struct结构体
    - 字典、KV是什么？
    - redisObject + Redis数据类型 + Redis所有编码方式（底层实现）三者之间的关系
- 五大数据结构C语言源码分析
- - redis6.0.5
  - Redis7
  - 源码分析总体数据结构大纲
  - 从set hello world说起
  - redisObject结构的作用
  - - RedisObject各个字段的含义
  - 五大经典结构解析
  - - String数据类型介绍
    - - 3大物理编码方式
      - int
        embstr
        raw
      - 3大物理编码案例
      - SDS简单动态字符串
      - Redis为什么要重新设计一个SDS数据结构呢？
      - 源码分析
      - 结论
    - Hash数据结构介绍
    - - Redis6
      - 案例
        源码分析
        t_hash.c
        OBJ_ENCODING_HT编码解析
        ziplist
        明明已经有链表了出来一个压缩链表？
        ziplist总结

Redis经典五大类型源码及底层实现

经典面试题

Redis的跳跃列表了解吗？这个数据结构有什么特点

redis项目里面怎么用？redis的数据结构都了解那些？

redis的zset底层实现，说了压缩列表和跳表，问这样设计的优缺点，只说了优点，缺点没说出来

redis的跳表说一下，解决了哪些问题，时间复杂度和空间复杂度如何

其实阅读源码90%是没有太大意义的，完全是为了面试，但是10%是因为大厂自己的内部中间件，比如贵公司自己内部redis重构，阿里云redis，美团tair，滴滴kedrs等等

redis源码

在这里插入图片描述

https://github.com/redis/redis

而对应的源码分析的书籍有

在这里插入图片描述

核心部分

数据结构

简单动态字符串sds.c
整数集合intset.c
压缩列表ziplist.c
快速链表quicklist.c
listpack
字典dict.c

Redis数据库的实现

数据库底层实现db.c 和持久化rdb.c 、aof.c

Redis服务端和客户端实现

事件驱动ae.c 和 ae_epoll.c
网络连接anet.c 和 networking.c
服务端程序 server.c
客户端程序redis-cli.c

Redis字典数据库KV键值对是什么？

redis是key-value存储系统，key一般是String类型的字符串对象，value类型则为redis对象（redisObject），value可以是字符串对象，也可以是集合数据类型的对象，比如List对象，Hash对象，set对象和zset对象。

在这里插入图片描述

10大类型

String

List

Hash

Set

Zset

bitmap 实质是String

hyperloglog 实质是String

GEO 实质是Zset

Stream 实质是Stream

BITFIELD 看具体key

在这里插入图片描述

上帝视角

在这里插入图片描述

RedisObject结构体

redis定义了redisobject结构体来表示string、hash、list、set、zset等数据结构

struct结构体

在这里插入图片描述

Redis中每个对象都是一个redisobject

字典、KV是什么？

每个键值对都会有一个dictEntry

在这里插入图片描述

这些键值对是如何保存进Redis并进行读取操作，O（1）复杂度的

在这里插入图片描述

redisObject + Redis数据类型 + Redis所有编码方式（底层实现）三者之间的关系

在这里插入图片描述

五大数据结构C语言源码分析

redis6.0.5

redis6之前，老版本

在这里插入图片描述

Redis7

在这里插入图片描述

源码分析总体数据结构大纲

程序员写代码时脑子底层思维

在这里插入图片描述

从set hello world说起

set hello word为例，因为Redis是KV键值对的数据库，每个键值对都会有一个dictEntry(源码位置：dict.h)，

里面指向了key和value的指针，next 指向下一个 dictEntry。

key 是字符串，但是 Redis 没有直接使用 C 的字符数组，而是存储在redis自定义的 SDS中。

value 既不是直接作为字符串存储，也不是直接存储在 SDS 中，而是存储在redisObject 中。

实际上五种常用的数据类型的任何一种，都是通过 redisObject 来存储的。

在这里插入图片描述

看看类型
type hello
String

看看编码
Object encoding hello
embstr

redisObject结构的作用

为了便于操作，Redis采用redisObjec结构来统一五种不同的数据类型，这样所有的数据类型就都可以以相同的形式在函数间传递而不用使用特定的类型结构。同时，为了识别不同的数据类型，redisObjec中定义了type和encoding字段对不同的数据类型加以区别。简单地说，redisObjec就是string、hash、list、set、zset的父类，可以在函数间传递时隐藏具体的类型信息，所以作者抽象了redisObjec结构来到达同样的目的。

在这里插入图片描述

RedisObject各个字段的含义

在这里插入图片描述

1 4位的type表示具体的数据类型

2 4位的encoding表示该类型的物理编码方式见下表，同一种数据类型可能有不同的编码方式。

(比如String就提供了3种:int embstr raw)

3 lru字段表示当内存超限时采用LRU算法清除内存中的对象。

4 refcount表示对象的引用计数。

5 ptr指针指向真正的底层数据结构的指针。

在这里插入图片描述

例如

set age 17

在这里插入图片描述

type	类型
encoding	编码，此处是数字类型
lru	最近被访问的时间
refcount	等于1，表示当前对象被引用的次数
ptr	value值是多少，当前就是17

五大经典结构解析

各个类型的数据结构的编码映射和定义

在这里插入图片描述

Debug Object key

在这里插入图片描述

开启后

在这里插入图片描述

Value at: 内存地址

refcount: 引用次数

encoding: 物理编码类型

serializedlength: 序列化后的长度（注意这里的长度是序列化后的长度，保存为rdb文件时使用了该算法，不是真正存贮在内存的大小),会对字串做一些可能的压缩以便底层优化

lru：记录最近使用时间戳

lru_seconds_idle：空闲时间

在这里插入图片描述

String数据类型介绍

3大物理编码方式

RedisObjectt内部对应的3大物理编码

在这里插入图片描述

int

保存long型（长整型）的64位（8个字节）的有符号整数

在这里插入图片描述

补充：只有整数才会使用int，如果是浮点数，Redis内部其实先将浮点数转化为字符串值，然后再保存。

embstr

代表embstr格式的SDS 简单动态字符串，保存长度小于44字节的字符串，顾名思义，表示嵌入式的String

raw

保存长度大于44字节的字符串

3大物理编码案例

在这里插入图片描述

假如现在展现一个字符串:Redis

在这里插入图片描述

Redis没有直接复用C语言的字符串，而是新建了属于自己的结构-----SDS

在Redis数据库里，包含字符串值的键值对都是由SDS实现的(Redis中所有的键都是由字符串对象实现的即底层是由SDS实现，Redis中所有的值对象中包含的字符串对象底层也是由SDS实现)。

在这里插入图片描述

SDS简单动态字符串

sds.h源码分析

在这里插入图片描述

Redis中字符串的实现,SDS有多种结构（sds.h）：

sdshdr5、(2^5=32byte)

sdshdr8、(2 ^ 8=256byte)

sdshdr16、(2 ^ 16=65536byte=64KB)

sdshdr32、 (2 ^ 32byte=4GB)

sdshdr64，2的64次方byte＝17179869184G用于存储不同的长度的字符串。

len 表示 SDS 的长度，使我们在获取字符串长度的时候可以在 O(1)情况下拿到，而不是像 C 那样需要遍历一遍字符串。

alloc 可以用来计算 free 就是字符串已经分配的未使用的空间，有了这个值就可以引入预分配空间的算法了，而不用去考虑内存分配的问题。

buf 表示字符串数组，真存数据的。

在这里插入图片描述

Redis为什么要重新设计一个SDS数据结构呢？

C语言没有Java里面的String类型，只能是靠自己的char[]来实现，字符串在 C 语言中的存储方式，想要获取「Redis」的长度，需要从头开始遍历，直到遇到 ‘\0’ 为止。所以，Redis 没有直接使用 C 语言传统的字符串标识，而是自己构建了一种名为简单动态字符串 SDS（simple dynamic string）的抽象类型，并将 SDS 作为 Redis 的默认字符串。

	C语言	SDS
字符串长度处理	需要从头开始遍历，直到遇到 ‘\0’ 为止，时间复杂度O(N)	记录当前字符串的长度，直接读取即可，时间复杂度 O(1)
内存重新分配	分配内存空间超过后，会导致数组下标越级或者内存分配溢出	空间预分配 SDS 修改后，len 长度小于 1M，那么将会额外分配与 len 相同长度的未使用空间。如果修改后长度大于 1M，那么将分配1M的使用空间。惰性空间释放有空间分配对应的就有空间释放。SDS 缩短时并不会回收多余的内存空间，而是使用 free 字段将多出来的空间记录下来。如果后续有变更操作，直接使用 free 中记录的空间，减少了内存的分配。
二进制安全	二进制数据并不是规则的字符串格式，可能会包含一些特殊的字符，比如 ‘\0’ 等。前面提到过，C中字符串遇到 ‘\0’ 会结束，那 ‘\0’ 之后的数据就读取不上了	根据 len 长度来判断字符串结束的，二进制安全的问题就解决了

源码分析

set k1 v1 底层发生了什么？调用关系

在这里插入图片描述

三大物理编码方式

在这里插入图片描述

int编码

在这里插入图片描述

set k1 123

命令示例： set k1 123

当字符串键值的内容可以用一个64位有符号整形来表示时，Redis会将键值转化为long型来进行存储，此时即对应 OBJ_ENCODING_INT 编码类型。内部的内存结构表示如下:

在这里插入图片描述

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，此时键值不占空间！

set k1 123

set k2 123

接下来就很类似Integer，如果是128以内的话，那么常量池中就存在

在这里插入图片描述

redis源代码：server.h,笔记下面还有

在这里插入图片描述

redis6源代码：object.c笔记下面还有

在这里插入图片描述

redis7源代码：object.c笔记下面还有

在这里插入图片描述

EMBSTR编码格式

在这里插入图片描述

set k1 abc

redis源代码：object.c

在这里插入图片描述

对于长度小于 44的字符串，Redis 对键值采用OBJ_ENCODING_EMBSTR 方式，EMBSTR 顾名思义即：embedded string，表示嵌入式的String。从内存结构上来讲即字符串 sds结构体与其对应的 redisObject 对象分配在同一块连续的内存空间，字符串sds嵌入在redisObject对象之中一样。

在这里插入图片描述

进一步createEmbeddedStringObject方法

redis源代码：object.c

从图中也可以看出，内存相当紧凑，没有重新分配空间

在这里插入图片描述

RAW编码格式

在这里插入图片描述

set k1 大于44长度的一个字符串，随便写

在这里插入图片描述

当字符串的键值为长度大于44的超长字符串时，Redis 则会将键值的内部编码方式改为OBJ_ENCODING_RAW格式，这与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

在这里插入图片描述

明明没有超过阈值，为什么变成raw了？

在这里插入图片描述

判断不出来，就取最大Raw

转变逻辑图

在这里插入图片描述

结论

只有整数才会使用 int，如果是浮点数， Redis 内部其实先将浮点数转化为字符串值，然后再保存。

embstr 与 raw 类型底层的数据结构其实都是 SDS (简单动态字符串，Redis 内部定义 sdshdr 一种结构)。

那这两者的区别见下图：


1 int	Long类型整数时，RedisObject中的ptr指针直接赋值为整数数据，不再额外的指针再指向整数了，节省了指针的空间开销。
2 embstr	当保存的是字符串数据且字符串小于等于44字节时，embstr类型将会调用内存分配函数，只分配一块连续的内存空间，空间中依次包含 redisObject 与 sdshdr 两个数据结构，让元数据、指针和SDS是一块连续的内存区域，这样就可以避免内存碎片
3 raw	当字符串大于44字节时，SDS的数据量变多变大了，SDS和RedisObject布局分家各自过，会给SDS分配多的空间并用指针指向SDS结构，raw 类型将会调用两次内存分配函数，分配两块内存空间，一块用于包含 redisObject结构，而另一块用于包含 sdshdr 结构

在这里插入图片描述

总结：Redis内部会根据用户的不同键值而使用不同的编码格式，自适应地选择较优化的内部编码格式，而这一切对用户来说完全透明

Hash数据结构介绍

Redis6

ziplist + hashtable

案例

hash-max-ziplist-entries：使用压缩列表保存时哈希集合中的最大元素个数。

hash-max-ziplist-value：使用压缩列表保存时哈希集合中单个元素的最大长度。

Hash类型键的字段个数小于 hash-max-ziplist-entries 并且每个字段名和字段值的长度小于 hash-max-ziplist-value 时，

Redis才会使用 OBJ_ENCODING_ZIPLIST来存储该键，前述条件任意一个不满足则会转换为 OBJ_ENCODING_HT的编码方式

在这里插入图片描述

hash-max-ziplist-entries：使用压缩列表来保存是哈希集合中最大元素个数

hash-max-ziplist-value：使用压缩列表保存时哈希集合中单个元素的最大长度

结论：

1.哈希对象保存的键值对数量小于512个

2.所有的键值对的键和值字符串长度豆小于等于64byte（一个英文字母一个字节）时用ziplist，反之用hashtable

其中ziplist升级到hashtable可以，反过来降级不可以

一旦从压缩列表转为了哈希表，Hash类型就会一直用哈希表进行保存而不会再转回压缩列表了。

在节省内存空间方面哈希表就没有压缩列表高效了。

流程：

在这里插入图片描述

源码分析

t_hash.c

在Redis中，hashtable被称为字典（dictionary），它是有一个数组 + 链表的结构

OBJ_ENCODING_HT编码解析

OBJ_ENCODING_HT 这种编码方式内部才是真正的哈希表结构，或称为字典结构，其可以实现O(1)复杂度的读写操作，因此效率很高。

在 Redis内部，从 OBJ_ENCODING_HT类型到底层真正的散列表数据结构是一层层嵌套下去的，组织关系见面图：

在这里插入图片描述

源代码：dict.h

在这里插入图片描述

hset命令解读：

在这里插入图片描述

ziplist

Ziplist 压缩列表是一种紧凑编码格式，总体思想是多花时间来换取节约空间，即以部分读写性能为代价，来换取极高的内存空间利用率，

因此只会用于字段个数少，且字段值也较小的场景。压缩列表内存利用率极高的原因与其连续内存的特性是分不开的。

为了节约内存而开发的，它是由连续内存块组成的顺序型数据结构，有点类似于数组

ziplist是一个经过特殊编码的双向链表，它不存储指向前一个链表节点prev和指向下一个链表节点的指针next而是存储上一个节点长度和当前节点长度，通过牺牲部分读写性能，来换取高效的内存空间利用率，节约内存，是一种时间换空间的思想。只用在字段个数少，字段值小的场景里面

在这里插入图片描述

zlentry实体结构解析：

在这里插入图片描述


prevlen	记录了前一个节点的长度；
encoding	记录了当前节点实际数据的类型以及长度
data	记录了当前节点的实际数据

压缩列表zlentry节点结构：每个zlentry由前一个节点的长度、encoding和entry-data三部分组成

在这里插入图片描述

前节点：(前节点占用的内存字节数)表示前1个zlentry的长度，privious_entry_length有两种取值情况：1字节或5字节。取值1字节时，表示上一个entry的长度小于254字节。虽然1字节的值能表示的数值范围是0到255，但是压缩列表中zlend的取值默认是255，因此，就默认用255表示整个压缩列表的结束，其他表示长度的地方就不能再用255这个值了。所以，当上一个entry长度小于254字节时，prev_len取值为1字节，否则，就取值为5字节。记录长度的好处：占用内存小，1或者5个字节

enncoding：记录节点的content保存数据的类型和长度。

content：保存实际数据内容

在这里插入图片描述

privious_entry_length，encoding长度都可以根据编码方式推算，真正变化的是content，而content长度记录在encoding里，因此entry的长度就知道了。entry总长度 = privious_entry_length字节数+encoding字节数+content字节数

在这里插入图片描述

为什么entry这么设计？记录前一个节点的长度？

链表在内存中，一般是不连续的，遍历相对比较慢，而ziplist可以很好的解决这个问题。如果知道了当前的起始地址，因为entry是连续的，entry后一定是另一个entry，想知道下一个entry的地址，只要将当前的起始地址加上当前entry总长度。如果还想遍历下一个entry，只要继续同样的操作。

明明已经有链表了出来一个压缩链表？

1 普通的双向链表会有两个指针，在存储数据很小的情况下，我们存储的实际数据的大小可能还没有指针占用的内存大，得不偿失。ziplist 是一个特殊的双向链表没有维护双向指针:previous next；而是存储上一个 entry的长度和当前entry的长度，通过长度推算下一个元素在什么地方。牺牲读取的性能，获得高效的存储空间，因为(简短字符串的情况)存储指针比存储entry长度更费内存。这是典型的“时间换空间”。

2 链表在内存中一般是不连续的，遍历相对比较慢而ziplist可以很好的解决这个问题，普通数组的遍历是根据数组里存储的数据类型找到下一个元素的(例如int类型的数组访问下一个元素时每次只需要移动一个sizeof(int)就行)，但是ziplist的每个节点的长度是可以不一样的，而我们面对不同长度的节点又不可能直接sizeof(entry)，所以ziplist只好将一些必要的偏移量信息记录在了每一个节点里，使之能跳到上一个节点或下一个节点。

备注:sizeof实际上是获取了数据在内存中所占用的存储空间，以字节为单位来计数。

3 头节点里有头节点里同时还有一个参数 len，和string类型提到的 SDS 类似，这里是用来记录链表长度的。因此获取链表长度时不用再遍历整个链表，直接拿到len值就可以了，这个时间复杂度是 O(1)