Redis入门到通关之数据结构解析-动态字符串SDS

文章目录

Redis数据结构-动态字符串
动态扩容举例
二进制安全
SDS优点
与C语言中的字符串的区别

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欢迎来到请回答1024 的博客

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Redis数据结构-动态字符串

我们都知道 Redis 中保存的Key是字符串，value 往往是字符串或者字符串的集合。可见字符串是 Redis 中最常用的一种数据结构。

不过 Redis 没有直接使用C语言中的字符串，因为C语言字符串存在很多问题：

获取字符串长度的需要通过运算
非二进制安全
不可修改

Redis 构建了一种新的字符串结构，称为简单动态字符串（Simple Dynamic String），简称 SDS。
例如，我们执行命令：

set name 技术

那么 Redis 将在底层创建两个 SDS，其中一个是包含“name”的 SDS，另一个是包含“技术”的 SDS。

Redis 是 C 语言实现的，其中 SDS 是一个结构体，源码如下：

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#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

typedef struct sds {
    int len;         // 记录字符串的长度
    int free;        // 记录未使用的字节数
    char buf[];      // 字符串的实际存储空间
} sds;

// 创建一个新的 sds
sds *sds_new(int init_len) {
    sds *s = malloc(sizeof(sds) + init_len + 1);
    if (!s) return NULL;
    s->len = 0;
    s->free = init_len;
    s->buf[0] = '\0';
    return s;
}

// 释放 sds
void sds_free(sds *s) {
    if (s) free(s);
}

// 追加字符串到 sds
sds *sds_append(sds *s, const char *append) {
    int append_len = strlen(append);
    if (s->free < append_len) {
        s = realloc(s, sizeof(sds) + s->len + append_len + 1);
        if (!s) return NULL;
        s->free = append_len;
    }
    memcpy(s->buf + s->len, append, append_len);
    s->len += append_len;
    s->free -= append_len;
    s->buf[s->len] = '\0';
    return s;
}

// 打印 sds
void sds_print(const sds *s) {
    printf("Length: %d\n", s->len);
    printf("Free: %d\n", s->free);
    printf("String: %s\n", s->buf);
}

int main() {
    sds *str = sds_new(10);
    if (!str) {
        printf("Error: Unable to create SDS.\n");
        return 1;
    }

    str = sds_append(str, "Hello, ");
    if (!str) {
        printf("Error: Unable to append to SDS.\n");
        return 1;
    }

    str = sds_append(str, "world!");
    if (!str) {
        printf("Error: Unable to append to SDS.\n");
        return 1;
    }

    sds_print(str);
    sds_free(str);
    return 0;
}

例如，一个包含字符串“name”的sds结构如下：

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动态扩容举例

SDS 之所以叫做动态字符串，是因为它具备动态扩容的能力，例如一个内容为“hi”的SDS：

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假如我们要给SDS追加一段字符串“,Amy”，这里首先会申请新内存空间：

如果新字符串小于1M，则新空间为扩展后字符串长度的两倍+1；
如果新字符串大于1M，则新空间为扩展后字符串长度+1M+1。称为内存预分配。

二进制安全

Redis 可以存储各种数据类型，那么二进制数据肯定也不例外。但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。
前面我们提到过，C 中字符串遇到 ‘\0’ 会结束，那 ‘\0’ 之后的数据就读取不上了。但在 SDS 中，是根据 len 长度来判断字符串结束的。
如此, 二进制安全的问题就解决了。

SDS优点

SDS 优点：

获取字符串长度的时间复杂度为O(1)
支持动态扩容, 减少内存分配次数
二进制安全

与C语言中的字符串的区别

SDS（Simple Dynamic String）是Redis使用的一种字符串表示方式，与C语言中的字符串有一些显著的区别：

动态调整大小：SDS是动态分配内存的，可以根据需要动态增加或减少其大小，而C语言中的字符串通常是静态分配的，大小在创建时就确定了，后续无法直接调整大小。
二进制安全：SDS允许存储任意二进制数据，而C语言中的字符串通常以NULL结尾，因此不适合存储包含NULL字符的二进制数据。
惰性空间释放：SDS采用惰性空间释放策略，即当SDS的内容被截断或缩短时，并不立即释放多余的内存，而是等待下一次需要扩展空间时才释放。这种策略可以减少频繁的内存分配和释放操作，提高性能。而C语言中的字符串在缩短时无法自动释放多余的内存，需要手动管理内存。
长度存储：SDS在内部存储了字符串的长度信息，这样可以在O(1)时间内获取字符串的长度，而C语言中的字符串需要遍历整个字符串才能确定长度。

SDS是一种更加灵活和高效的字符串表示方式，特别适合需要频繁修改和操作字符串的场景，而C语言中的字符串更适合于静态不变的情况。

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