【引子】
Redis沒有直接使用C語言傳統的字符串表示，而是自己構建了一種名爲簡單動態字符串（Simple Dynamic String，SDS）的抽象類型，並將SDS用作Redis的默認字符串表示。
在Redis裏面，包含字符串值的鍵值對在底層都是由SDS實現的，比如：
set moremoney programmer
那麼Redis將在數據庫中創建一個新的鍵值對，其中：
- 該鍵值對的鍵moremoney是一個字符串對象，底層實現是一個保存了字符串“moremoney”的SDS
- 該鍵值對的值programmer也是一個字符串對象，底層實現是一個保存了字符串“programmer”的SDS
除了以上用處，SDS還被用作AOF模塊中的AOF緩衝區，以及客戶端狀態中的輸入緩衝區等。
【SDS的定義】
SDS是通過C語言來實現的，我那會兒讀大學時，學校最先開始教的是C語言，所以我對C語言也還算有點熟悉。
每個sds.h/sdshdr結構表示一個SDS值（爲什麼這麼設計後續會分析）：
struct sdshdr {
//記錄buf數組中已使用字節的數量
//等於SDS所保存字符串的長度
int len;
//記錄buf數組中未使用的字節的數量
int free;
//字節數組，用於保存字符串
char buf[];
};
簡單來說：
- 當free屬性的值爲0，則表示這個SDS沒有分配任何未使用的空間；反之，則分配了free個字節的未使用的空間；
- 字符串的長度爲len
- buf屬性是一個char類型的數組，數組的前面保存了該字符串的每個字符，最後一個字節則保存了一個空字符’\0’
SDS遵循了C字符串以空字符結尾的慣例，保存空字符的1字節不會計算在len屬性裏面（也就是說保存“hello world”的字符串的SDS的len爲11），並且爲空字符分配的這個額外的1字節的空間，以及添加空字符到字符串末尾等操作，都是由SDS函數自動完成的，也就是說，這個空字符對於SDS的使用者或者Redis的使用者來說是完全透明的，這也體現了封裝的思想，對外隱藏實現的細節，簡化外部使用者。
SDS的設計者遵循空字符結尾的慣例的一個明顯的好處，就是SDS可以直接重用一部分C字符串函數庫裏面的函數，比如打印字符串。
【SDS與C字符串的區別】
根據傳統，C語言使用長度爲N+1的字符數組來表示長度爲N的字符串，因爲最後一個元素是空字符’\0’，表示C字符串的結尾。
C語言使用的這種實現方式，並不能滿足Redis對字符串在安全性、效率，以及功能方面的要求。
獲取字符串長度
因爲C字符串並沒有記錄字符串的長度信息，所以在獲取C字符串長度的時候，必須遍歷整個C字符串，遍歷到的每個字符都要做計數+1，直到遇到代表字符串結尾的空字符’\0’爲止（不計算進去），這個操作的時間複雜度就是O(N)，N爲字符串長度。
SDS就不同了，由於SDS直接存儲了字符串的長度len，想要獲取一個用SDS表示的字符串的長度，只要讀取len屬性的值就行了，即時間複雜度僅爲O(1)。
而且，無需使用者操心的是：設置和更新SDS的len屬性的工作，都是由操作SDS的API在執行的時候自動完成的。
通過使用SDS，Redis將獲取字符串長度所需的時間，從C字符串的O(N)降低到了O(1)，這確保了獲取字符串長度的工作不會成爲Redis的瓶頸。
杜絕緩衝區溢出
不記錄C字符串的長度，容易造成緩衝區溢出（buffer overflow）。比如通過C函數strcat，將src字符串中的內容拼接到dest字符串的末尾：
char* strcat(char *dest, const char *src);
由於C字符串不記錄自身的長度，如果用戶在執行strcat函數時，沒有給dest分配足夠的內容來容納src，就會產生緩衝區溢出。
SDS的空間分配策略，能夠完全杜絕緩衝區溢出的發生：當SDS API需要對SDS進行修改時，API會先檢查SDS的空間是否滿足修改的需求，若不滿足，則API會自動將SDS的空間擴展以至於能夠放下src。
修改SDS字符串N次，真的會像C字符串那樣，一定做N次內存重分配嗎？
我們從前面的文章瞭解到“C字符串不記錄自身的長度”，通過最後一個空字符’\0’來表示字符串結束。所以每次拉長或縮短C字符串，程序總要對保存這個C字符串的數組進行一次內存重分配：
- 拉長：程序需要先通過內存重分配來擴展底層數組的空間，如果忘了這一步就會產生緩衝區溢出
- 縮短：程序需要先通過內存重分配來釋放字符串不再使用的那部分空間，如果忘了這一步就會產生內存泄漏
由於涉及複雜的算法，且可能需要執行系統調用，所以相對來說，內存重分配是一個比較耗時的操作。Redis作爲一個對性能有極致要求的數據庫，如果這種操作頻繁的發生，可能就會造成一些瓶頸了。
爲了避免C字符串的這種缺陷，SDS的設計者相處了一個巧妙的辦法：通過未使用空間來解除字符串長度和底層數組長度之間的關聯。在SDS中，buf數組的長度不一定就是字符數量+1（+1是最後還是存了空字符’\0’），宿主裏面可以包含未使用的字節，這些未使用的字節數量就是free的值。
通過未使用空間，SDS實現了空間預分配和惰性空間釋放兩種優化策略。
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空間預分配：當API對一個SDS進行修改，並且需要對SDS空間進行擴展，程序不僅會爲SDS分配修改所必須的空間，還會額外分配“未使用空間”，額外分配策略有2種：
- 如果對SDS進行修改之後，len小於1MB，那麼程序分配和len一樣大小的未使用空間
- 如果對SDS進行修改之後，len大於1MB，那麼程序分配1MB的未使用空間
空間預分配的好處是，減少連續執行字符串增長操作所需的內存重分配次數：在擴展SDS空間之前，SDS API會先檢查未使用空間是否足夠，如果足夠的話，API就會直接使用未使用空間，而不會執行內存重分配。
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惰性空間釋放：當需要縮短SDS保存的字符串時，程序並不立即使用內存重分配來回收縮短後多出來的字節，而是使用free屬性來將這些字節記錄起來，可供將來擴展使用，相當於優化了將來可能有的增長操作，因爲空出來了字節，那麼能夠容納增長的字符的話就不需要再內存重分配了。
可能你會擔心，惰性空間釋放這個特性，會造成內存泄漏，其實SDS提供了相關API，讓我們在有需要的時候，真正的釋放SDS的未使用空間。
二進制安全
之前有篇文章有提到“二進制安全是什麼？”，這裏不再詳述，簡單來說就是C字符串存在二進制安全的問題，它職能保存文本數據，而不能保存像圖片、音頻、視頻壓縮文件等二進制數據，因爲遇到’\0’就是一個結束了的C字符串。
而SDS的API都是二進制安全的，所有API以處理二進制的方式來處理SDS存放的buf數組裏的數據，程序不會對其中的數據做任何限制、過濾、或者轉義，數據在寫入時是怎麼樣的，被讀取時就是什麼樣。這也是將SDS的buf數組叫做字節數組的原因——Redis不是用這個數組來保存字符，而使用它來直接保存二進制數據。
所以，Redis不僅可以保存文本，還可以保存任意的二進制數據。非常強大。
兼容部分C字符串函數
前面提到過，SDS遵循了C字符串以空字符’\0’結尾的慣例，並且SDS的API自動維護了這個空字符，所以SDS可以重用一部分<string.h>庫定義的函數。這樣Redis就不用重複去造輪子了。
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