資料結構分類

資料結構按鍵和值分類，可以分為兩類，鍵值資料結構和值的資料結構。鍵值資料結構是hash表，使用者通過鍵在hash表中找到值；值的資料結構又可以分為兩類，API層面資料結構和底層資料結構。API層面的資料結構包括String、List、Set，Sorted Set，Hash，Bitmap；底層資料結構包括SDS（簡單動態字串）、dict（雜湊表）、ziplist（壓縮列表）、quicklist（雙向連結串列）、skiplist（跳錶），intset（整數陣列）。值的底層資料結構是這篇文章介紹的重點。

值的底層資料結構

簡單動態字串

Redis 沒有直接使用 C 語言傳統的字串表示（以空字元結尾的字元陣列，以下簡稱 C 字串）， 而是自己構建了一種名為 **簡單動態字串（simple dynamic string，SDS）**的抽象型別， 並將 SDS 用作 Redis 的預設字串表示。（和Golang相同，我相信也是大多數語言的作法）

與 C 字串不同， SDS 的空間分配策略完全杜絕了發生緩衝區溢位的可能性： 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所需的要求， 如果不滿足的話， API 會自動將 SDS 的空間擴充套件至執行修改所需的大小， 然後才執行實際的修改操作， 所以使用 SDS 既不需要手動修改 SDS 的空間大小， 也不會出現前面所說的緩衝區溢位問題

雜湊表

普普通通的使用連結串列法的散列表，唯一需要注意的是漸進式rehash（這個和golang的symc.Map相同）。我們著重介紹一下漸進式rehash

漸進式rehash

dict的資料結構裡包含 兩個雜湊表。在重雜湊期間，資料從一個雜湊表向另一個雜湊表遷移。Redis 仍然正常處理客戶端請求，每處理一個請求時，從雜湊表 1 中的第一個索引位置開始，順帶著將這個索引位置上的所有 entries 拷貝到雜湊表 2 中；等處理下一個請求時，再順帶拷貝雜湊表 1 中的下一個索引位置的 entries。如下圖所示：
[外鏈圖片轉存失敗,源站可能有防盜鏈機制,建議將圖片儲存下來直接上傳(img-QqY9mkes-1609427803384)(./assets/1.jpg)]

壓縮列表

ziplist 是一個經過特殊編碼的 雙向連結串列，它的設計目標就是為了提高儲存效率。 ziplist 可以用於儲存字串或整數，其中整數是按真正的二進位制表示進行編碼的，而不是編碼成字串序列。它能以 O(1)O(1) 的時間複雜度在表的兩端提供 push 和 pop 操作。

一個普通的雙向連結串列，連結串列中每一項都佔用獨立的一塊記憶體，各項之間用地址指標（或引用）連線起來。這種方式會帶來大量的記憶體碎片，而且地址指標也會佔用額外的記憶體。而 ziplist 卻是將表中每一項存放在前後 連續的地址空間 內，一個 ziplist 整體佔用一大塊記憶體。它是一個表（list），但其實不是一個連結串列（linked list）。

另外，ziplist 為了在細節上節省記憶體，對於值的儲存採用了 變長編碼方式，大概意思是說，對於大的整數，就多用一些位元組來儲存，而對於小的整數，就少用一些位元組來儲存。ziplist 的底層結構如下所示：
[外鏈圖片轉存失敗,源站可能有防盜鏈機制,建議將圖片儲存下來直接上傳(img-y8hHLxho-1609427803397)(./assets/2.png)]

• zlbytes: 32bit，表示 ziplist 佔用的位元組總數。
• zltail: 32bit，表示 ziplist 表中最後一項（entry）在 ziplist 中的偏移位元組數。
• zllen: 16bit， 表示 ziplist 中資料項（entry）的個數。 zllen 可以表達的最大值為 2^16-1。當 ziplist 長度超過 2^16−1 時， zllen 不表示長度，長度需要進行遍歷計算。
• entry: 表示真正存放資料的資料項，長度不定。一個數據項（entry）也有它自己的內部結構。
• zlend: ziplist 最後1個位元組，是一個結束標記，值固定等於 255。

quicklist（雙向連結串列）

quicklist 是由 ziplist 為節點組成的雙向連結串列。 ziplist 本身也是一個能維持資料項先後順序的列表（按插入位置），而且是一個記憶體緊縮的列表（各個資料項在記憶體上前後相鄰）。比如，一個包含 3 個節點的 quicklist ，如果每個節點的 ziplist 又包含 4 個數據項，那麼對外表現上，這個 list 就總共包含 12 個數據項。
quicklist的設計是在空間和時間取了折中：

• 雙向連結串列便於在表的兩端進行 push 和 pop 操作，但是它的記憶體開銷比較大。首先，它在每個節點上除了要儲存資料之外，還要額外儲存兩個指標；其次，雙向連結串列的各個節點是單獨的記憶體塊，地址不連續，節點多了容易產生記憶體碎片。
• ziplist 由於是一整塊連續記憶體，所以儲存效率很高。但是 不利於修改操作，每次資料變動都會引發一次記憶體的 realloc （擴容）。特別是當 ziplist 長度很長的時候，一次 realloc 可能會導致大批量的資料拷貝，進一步降低效能。

skiplist（跳錶）

跳躍表（skiplist） 是一種有序資料結構，它通過在每個節點中維持多個指向其他節點的指標，從而達到快速訪問節點的目的。

intset（整數陣列）

intset 是一個由整陣列成的 有序集合，從而便於在上面進行二分查詢，用於快速地判斷一個元素是否屬於這個集合。它在記憶體分配上與 ziplist 有些類似，是連續的一整塊記憶體空間，而且對於大整數和小整數（按絕對值）採取了不同的編碼，儘量對記憶體的使用進行了優化。

對於小集合使用 intset 來儲存，主要的原因是節省記憶體。特別是當儲存的元素個數較少的時候， dict 所帶來的記憶體開銷要大得多（包含兩個雜湊表、連結串列指標以及大量的其它元資料）。所以，當儲存大量的小集合而且集合元素都是數字的時候，用 intset 能節省下一筆可觀的記憶體空間。

API結構和底層結構對應關係