上篇文章寫了 Redis 基礎數據結構的可變字符串、鏈表、字典。大家可以點擊鏈接查看。今天我們繼續研究 Redis 的基礎數據結構。
- 整數集合
- 跳躍表
- 壓縮列表
整數集合
當一個集合只包含整數，且這個集合的元素不多的時候，Redis 就會使用整數集合 intset 。首先看 intset 的數據結構：
typedef struct intset {
// 編碼方式
uint32_t encoding;
// 集合包含的元素數量
uint32_t length;
// 保存元素的數組
int8_t contents[];
} intset;其實 intset 的數據結構比較好理解。一個數據保存元素，length 保存元素的數量，也就是contents的大小，encoding 用於保存數據的編碼方式。
通過代碼我們可以知道，encoding 的編碼類型包括了：
#define INTSET_ENC_INT16 (sizeof(int16_t)) #define INTSET_ENC_INT32 (sizeof(int32_t)) #define INTSET_ENC_INT64 (sizeof(int64_t))
實際上我們可以看出來。 Redis encoding的類型，就是指數據的大小。作爲一個內存數據庫，採用這種設計就是爲了節約內存。
既然有從小到大的三個數據結構，在插入數據的時候儘可能使用小的數據結構來節約內存，如果插入的數據大於原有的數據結構，就會觸發擴容。
擴容有三個步驟：
- 根據新元素的類型，修改整個數組的數據類型，並重新分配空間
- 將原有的的數據，裝換爲新的數據類型，重新放到應該在的位置上，且保存順序性
- 再插入新元素
整數集合不支持降級操作，一旦升級就不能降級了。
跳躍表
跳躍表是鏈表的一種，是一種利用空間換時間的數據結構。跳錶平均支持 O(logN)，最壞O(N)複雜度的查找。
跳錶是由一個zskiplist 和 多個 zskiplistNode 組成。我們先看看他們的結構：
/* ZSETs use a specialized version of Skiplists *//*
* 跳躍表節點
*/
typedef struct zskiplistNode {
// 成員對象
robj *obj;
// 分值
double score;
// 後退指針
struct zskiplistNode *backward;
// 層
struct zskiplistLevel {
// 前進指針
struct zskiplistNode *forward;
// 跨度
unsigned int span;
} level[];
} zskiplistNode;
/*
* 跳躍表
*/
typedef struct zskiplist {
// 表頭節點和表尾節點
struct zskiplistNode *header, *tail;
// 表中節點的數量
unsigned long length;
// 表中層數最大的節點的層數
int level;
} zskiplist;所以根據這個代碼我們可以畫出如下的結構圖：
其實跳錶就是一個利用空間換時間的數據結構，利用 level 作爲鏈表的索引。
之前有人問過 Redis 的作者 爲什麼使用跳躍表，而不是 tree 來構建索引？作者的回答是：
- 省內存。
- 服務於 ZRANGE 或者 ZREVRANGE 是一個典型的鏈表場景。時間複雜度的表現和平衡樹差不多。
- 最重要的一點是跳躍表的實現很簡單就能達到 O(logN)的級別。
壓縮列表
壓縮鏈表 Redis 作者的介紹是，爲了儘可能節約內存設計出來的雙向鏈表。
對於一個壓縮列表代碼裏註釋給出的數據結構如下：
zlbytes 表示的是整個壓縮列表使用的內存字節數
zltail 指定了壓縮列表的尾節點的偏移量
zllen 是壓縮列表 entry 的數量
entry 就是 ziplist 的節點
zlend 標記壓縮列表的末端
這個列表中還有單個指針：
ZIPLIST_ENTRY_HEAD 列表開始節點的頭偏移量
ZIPLIST_ENTRY_TAIL 列表結束節點的頭偏移量
ZIPLIST_ENTRY_END 列表的尾節點結束的偏移量
再看看一個 entry 的結構：
/*
* 保存 ziplist 節點信息的結構
*/
typedef struct zlentry {
// prevrawlen ：前置節點的長度
// prevrawlensize ：編碼 prevrawlen 所需的字節大小
unsigned int prevrawlensize, prevrawlen;
// len ：當前節點值的長度
// lensize ：編碼 len 所需的字節大小
unsigned int lensize, len;
// 當前節點 header 的大小
// 等於 prevrawlensize + lensize
unsigned int headersize;
// 當前節點值所使用的編碼類型
unsigned char encoding;
// 指向當前節點的指針
unsigned char *p;
} zlentry;依次解釋一下這幾個參數。
prevrawlen 前置節點的長度，這裏多了一個 size，其實是記錄了 prevrawlen 的尺寸。Redis 爲了節約內存並不是直接使用默認的 int 的長度，而是逐漸升級的。
同理 len 記錄的是當前節點的長度，lensize 記錄的是 len 的長度。
headersize 就是前文提到的兩個 size 之和。
encoding 就是這個節點的數據類型。這裏注意一下 encoding 的類型只包括整數和字符串。
p 節點的指針，不用過多的解釋。
需要注意一點，因爲每個節點都保存了前一個節點的長度，如果發生了更新或者刪除節點，則這個節點之後的數據也需要修改，有一種最壞的情況就是如果每個節點都處於需要擴容的零界點，就會造成這個節點之後的節點都要修改 size 這個參數，引發連鎖反應。這個時候就是 壓縮鏈表最壞的時間複雜度 O(n^2)。不過所有節點都處於臨界值，這樣的概率可以說比較小。
總結
至此Redis的基本數據結構就介紹完了。我們可以看到 Redis 對內存的使用真是“斤斤計較”，對於內存是使用特別節約。同時 Redis 作爲一個單線程應用，不用考慮併發的問題，將很多類似 size 或者 length 的參數暴露出來，將很多 O(n) 的操作降低爲 O(1)。大大提升效率。下一講，將會介紹 Redis 是怎麼通過這些數據結構向外提供服務。 Redis 的代碼真是寫的太棒了，簡潔高效。值得大家學習。