Redis | 第3章对象《Redis设计与实现》

前言

参考资料：《Redis设计与实现第二版》；

本篇笔记按照书里的脉络，将知识点分为四个部分。其中第一部分数据结构与对象分为上中下篇，上篇包括：SDS、链表和字典；中篇包括跳跃表、整数集合和压缩列表；下篇为对象；

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与本章相关的 Redis 命令总结在下篇文章，欢迎点击收藏，本篇将不再重复：

《Redis常用命令及示例总结（API）》：https://www.jianshu.com/p/f8eb9afaa908

1. Redis对象概述

Redis没有直接使用前面介绍的数据结构来实现键值对数据库，而是基于这些数据结构的对象系统；
Redis有五种基本对象，分别是字符串、列表、哈希、集合、有序集合。使用以下8种编码方式中的几种作为底层实现底层实现：long类型整数、embstr编码的SDS、SDS、字典、双端链表、压缩列表、整数集合、跳跃表；

Redis在创建键值对时，至少会生成两个对象，键对象和值对象；

1.1 对象的定义

Redis中的每个对象都由一个redisObject结构来表示：

typedef struct redisObject{
    //类型
    unsigned type:4;
    //编码
    unsigned encoding:4;
    //指向底层实现数据结构的的指针
    void *ptr;
    //……
}

类型type的可选类型：

类型常量对象的名称 TYPE命令的输出
REDIS_STRING 字符串对象 string
REDIS_LIST 列表对象 list
REDIS_HASH 哈希对象 hash
REDIS_SET 集合对象 set
REDIS_ZSET 有序集合对象 zset

类型常量	对象的名称	TYPE命令的输出
REDIS_STRING	字符串对象	string
REDIS_LIST	列表对象	list
REDIS_HASH	哈希对象	hash
REDIS_SET	集合对象	set
REDIS_ZSET	有序集合对象	zset

编码encoding的可选类型；同种类型可以有不同的编码形式：

类型	对象	编码	编码方式	OBJECT ENCODING命令输出
REDIS_STRING	字符串	REDIS_ENCODING_INT	使用整数数值实现	int
REDIS_STRING	字符串	REDIS_ENCODING_EMBSTR	使用embstr编码	embstr
REDIS_STRING	字符串	REDIS_ENCODING_RAW	使用SDS实现	raw
REDIS_LIST	列表	REDIS_ENCODING_ZIPLIST	使用压缩列表实现	ziplist
REDIS_LIST	列表	REDIS_ENCODING_LINKEDLIST	使用双端链表实现	linkedlist
REDIS_HASH	哈希	REDIS_ENCODING_ZIPLIST	使用压缩列表实现	ziplist
REDIS_HASH	哈希	REDIS_ENCODING_HT	使用字典实现	hashtable
REDIS_SET	集合	REDIS_ENCODING_INTSET	使用整数集合实现	intset
REDIS_SET	集合	REDIS_ENCODING_HT	使用字典实现	hashtable
REDIS_ZSET	有序集合	REDIS_ENCODING_ZIPLIST	使用压缩列表实现	ziplist
REDIS_ZSET	有序集合	REDIS_ENCODING_SKIPLIST	使用跳跃表和字典实现	skiplist

2. 字符串对象

字符串编码可以是int、raw、embstr；

编码类型说明
int 字符串保存整数值，并且这个整数可以用long类型表示
raw 字符串值的长度大于39字节
embstr 字符串值的长度小于39字节
embstr编码是专门用于保存短字符串的一种优化编码方式；
raw与embstr的异同：
- 二者都使用redisObject结构与sdshdr结构来表示字符串；
- embstr通过调用一次内存分配函数来分配一块连续的空间；
- raw通过调用两次内存分配函数来分配一块连续的空间；
embstr的优点：
- 创建时只需要分配一次内存；
- 释放时只需要调用一次内存释放函数；
- 连续保存在一块连续内存里，对缓存友好；
  
  embstr编码的字符串对象.png
long double类型表示的浮点数在Redis中也是作为字符串值来保存的；
embstr编码的字符串对象实际上是只读的，要修改先会转成raw编码，再执行修改命令；
字符串命令请见《Redis常用命令及示例总结》；

编码类型	说明
int	字符串保存整数值，并且这个整数可以用long类型表示
raw	字符串值的长度大于39字节
embstr	字符串值的长度小于39字节

3. 列表对象

列表的编码对象可以是ziplist或linkedlist；
redis 3.2以后，quicklist作为列表键的实现底层实现之一，代替了压缩列表。
ziplist编码的条件：
- 列表对象保存的所有字符串元素的长度都小于64字节；
- 列表对象保存的元素数量小于512个；

ziplist编码的list.png

linklist编码：

linkedlist编码的list.png

列表命令请见《Redis常用命令及示例总结》；

3.1 quicklist 快速链表

quicklist的定义在quicklist.h：

typedef struct quicklist {
    //指向头部(最左边)quicklist节点的指针
    quicklistNode *head;
    //指向尾部(最右边)quicklist节点的指针
    quicklistNode *tail;
    //ziplist中的entry节点计数器
    unsigned long count;  
    //quicklist的quicklistNode节点计数器
    unsigned int len; 
    //保存ziplist的大小，配置文件设定，占16bits
    int fill : 16;      
    //保存压缩程度值，配置文件设定，占16bits，0表示不压缩
    unsigned int compress : 16; 
} quicklist;

quicklist节点的定义：

typedef struct quicklistNode {
    struct quicklistNode *prev;     //前驱节点指针
    struct quicklistNode *next;     //后继节点指针
    //不设置压缩数据参数recompress时指向一个ziplist结构
    //设置压缩数据参数recompress指向quicklistLZF结构
    unsigned char *zl;
    //压缩列表ziplist的总长度
    unsigned int sz;              
    //ziplist中包的节点数，占16 bits长度
    unsigned int count : 16;    
    //表示是否采用了LZF压缩算法压缩quicklist节点，1表示压缩过，2表示没压缩，占2 bits长度
    unsigned int encoding : 2;       
    //表示一个quicklistNode节点是否采用ziplist结构保存数据，2表示压缩了，1表示没压缩，默认是2，占2bits长度
    unsigned int container : 2;   
    //标记quicklist节点的ziplist之前是否被解压缩过，占1bit长度
    //如果recompress为1，则等待被再次压缩
    unsigned int recompress : 1;
    //测试时使用
    unsigned int attempted_compress : 1; 
    //额外扩展位，占10bits长度
    unsigned int extra : 10; 
} quicklistNode;

quicklist逻辑图.png

4. 哈希对象

哈希对象编码可以是ziplist或hashtable；
使用ziplist编码的条件：
- 键和值的字符串长度小于64字节；
- 键值对数量少于512个；
使用ziplist编码时：

使用ziplist编码时.png

使用hashtable编码时：

使用hashtable编码时.png

哈希表命令请见《Redis常用命令及示例总结》；

5. 集合对象

集合对象的编码可以是intset或hashtable；
使用inset编码的条件：
- 所有元素为整数值；
- 保存的元素不超过512个；
使用inset编码时：

使用inset编码的集合.png
使用hashtable编码时：

使用hashtable编码的集合.png
集合命令请见《Redis常用命令及示例总结》；

6. 有序集合对象

有序集合的编码可以是ziplist或skiplist；
压缩列表内的集合元素按分值从小到大排列；
使用ziplist编码时：

使用ziplist编码的有序集合.png

使用ziplist编码的条件：
- 元素数量少于128个；
- 元素长度小于64字节；
使用skiplist编码时，使用zset结构作为底层实现；
zset的定义：
```
typedef struct zset{
    //跳跃表
    zskiplist *zsl;
    //字典
    dict *dict;
} zset;
```
- 跳跃表和字典使用指针来共享相同的元素和分值，因此不会产生重复，也不会造成内存浪费；
  
  使用skiplist编码的有序集合.png

有序集合命令请见《Redis常用命令及示例总结》；

7. Redis对象的特点

7.1 类型检查与命令多态

Redis的命令基本上分两类。一种是可以对任意类型的键操作（基于类型的多态），一种是只能对特定类型的键执行（基于编码的多态）；
在执行特定类型命令之前，服务器会先检查redisObject结构的type属性，判断是否为执行该命令所需的类型。是则执行，否则返回类型错误；
Redis还会根据值对象的编码方式选择正确底层方法，使一个命令可以同时用于处理多种不同编码方式的数据结构，进而实现多态命令；

类型检查与命令多态.png

7.2 内存回收

C语言不具备自动回收内存的功能，Redis构建一个引用计数计数实现内存回收机制；
引用计数由redisObject结构的refcount属性记录：
```
typedef struct redisObject{
    //...
    //引用计数
    int refcount; 
    //...
}
```
- 创建新对象时，refcount被初始化为1；
- 对象被新程序使用时，refcount++；
- 对象不被一个程序使用时，refcount--；
- 对象计数值为0时，对象占用的内存会被释放；

7.3 对象共享

对象的计数属性带有对象共享的作用；
当多个键保存同一个值时，这些键的值指针指向同一个值对象，值对象的refcounr为n；
Redis在初始化服务器时，会创建一万个字符串对象（0~9999的字符串对象），当服务器需要用到这些值对象时，服务器会使用这些共享对象，而不是创建新对象；
Redis只对包含整数值的字符串对象进行共享，验证数字的时间复杂度为O(1)；

对象共享.png

7.4 对象的空转时长

redisObject结构里有个lru属性，记录对象最后一次被命令程序访问的时间；
```
typedef struct redisObject{
    //...
    unsigned lru:22;
    //...
}
```
使用命令OBJECT IDLETIME可以显示对象的空转时间，不会改变对象的空转时间；
如果服务器打开maxmemory选项，并且回收内存的算法为volatile-lru或allkeys-lru，那么当服务器占用的内存数超过maxmemory选项设置的上限值是，空转时间较高的键会优先被服务器释放，回收内存；