一、SDS

1，SDS原始碼解讀

　　sds (Simple Dynamic String)，Simple的意思是簡單，Dynamic即動態，意味著其具有動態增加空間的能力，擴容不需要使用者關心。String是字串的意思。說白了就是用C語言自己封裝了一個字串型別，這個專案由Redis作者antirez建立，作為Redis中基本的資料結構之一，現在也被獨立出來成為了一個單獨的專案，專案地址位於這裡。

sds 有兩個版本，在Redis 3.2之前使用的是第一個版本，其資料結構如下所示：

typedef char *sds;      //注意，sds其實不是一個結構體型別，而是被typedef的char*

struct sdshdr {
    unsigned int len;   //buf中已經使用的長度
    unsigned int free;  //buf中未使用的長度
    char buf[];         //柔性陣列buf
};

但是在Redis 3.2 版本中，對資料結構做出了修改，針對不同的長度範圍定義了不同的結構，如下，這是目前的結構：

typedef char *sds;      

struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr5 {     // 對應的字串長度小於 1<<5
    unsigned char flags; 
    char buf[];
};
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr8 {     // 對應的字串長度小於 1<<8
    uint8_t len; /* used */                       // 目前字元創的長度,使用1個byte
    uint8_t alloc;                                // 已經分配的總長度,使用1個byte
    unsigned char flags;                          // flag用3bit來標明型別，型別後續解釋，其餘5bit目前沒有使用。使用1byte。
    char buf[];                                   // 柔性陣列，以'\0'結尾
};
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr16 {    // 對應的字串長度小於 1<<16
    uint16_t len; /* used，使用2byte */
    uint16_t alloc; /* excluding the header and null terminator,使用2byte */
    unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits */
    char buf[];
};
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr32 {    // 對應的字串長度小於 1<<32
    uint32_t len; /* used,使用4byte */
    uint32_t alloc; /* excluding the header and null terminator,使用4byte */
    unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits */
    char buf[];
};
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr64 {    // 對應的字串長度小於 1<<64
    uint64_t len; /* used */
    uint64_t alloc; /* excluding the header and null terminator */
    unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits */
    char buf[];
};

2，SDS的特點

• 二進位制安全的資料結構，不會產生資料的丟失
• 記憶體預分配機制，避免了頻繁的記憶體分配。當字串長度小於 1M 時，擴容都是加倍現有的空間，如果超過 1M，擴容時一次只會多擴 1M 的空間。(字串最大長度為 512M)
• 相容c語言函式庫

二、Redis中幾種資料結構

redisDb 預設情況下有16個，每個 redisDb 內部包含一個 dict 的資料結構，dict 內部包含 dictht 陣列，陣列個數為2，主要用於 hash 擴容使用。dictht 內部包含 dictEntry 的陣列，dictEntry 其實就是 hash 表的一個 key-value 節點，如果衝突通過 鏈地址法 解決

1，redisServer

　　資料結構 redisServer 是一個 redis 服務端的抽象，定義在server.h中。 redisServer中的屬性非常多，以下為節選的一部分，簡單介紹下

struct redisServer {
    /* General */
    pid_t pid;                  /* Main process pid. */    
    ......  
    int hz;                     /* serverCron() calls frequency in hertz */
    redisDb *db;
    dict *commands;             /* Command table */
    dict *orig_commands;        /* Command table before command renaming. */
    aeEventLoop *el; 
    ...... 
    char runid[CONFIG_RUN_ID_SIZE+1];  /* ID always different at every exec. */ 
    ...... 
    list *clients;              /* List of active clients */
    list *clients_to_close;     /* Clients to close asynchronously */
    list *clients_pending_write; /* There is to write or install handler. */
    list *clients_pending_read;  /* Client has pending read socket buffers. */
    list *slaves, *monitors;    /* List of slaves and MONITORs */
    client *current_client;     /* Current client executing the command. */
    ......
};

• hz: redis 定時任務觸發的頻率
• *db: redisDb 陣列，預設 16 個 redisDb
• *commands: redis 支援的命令的字典
• *el: redis 事件迴圈例項
• runid[CONFIG_RUN_ID_SIZE+1]: 當前 redis 例項的 runid

2，redisDb

　　redisDb 是 redis 資料庫的抽象，定義在 server.h 中，比較關鍵的屬性如下

typedef struct redisDb {
    dict *dict;                 /* 鍵值對字典，儲存資料庫中所有的鍵值對 */
    dict *expires;              /* 過期字典，儲存著設定過期的鍵和鍵的過期時間*/
    dict *blocking_keys;        /*儲存著 所有造成客戶端阻塞的鍵和被阻塞的客戶端 (BLPOP) */
    dict *ready_keys;           /* 儲存著 處於阻塞狀態的鍵，value為NULL*/
    dict *watched_keys;         /* 事物模組，用於儲存被WATCH命令所監控的鍵 */
    　　　　// 當記憶體不足時，Redis會根據LRU演算法回收一部分鍵所佔的空間，而該eviction_pool是一個長為16陣列，儲存可能被回收的鍵
    　　　　// eviction_pool中所有鍵按照idle空轉時間，從小到大排序，每次回收空轉時間最長的鍵
    struct evictionPoolEntry *eviction_pool;    /* Eviction pool of keys */
    int id;                     /* 資料庫ID */
    long long avg_ttl;          /* 鍵的平均過期時間 */
} redisDb;

3，dict

　　dict 是 redis 中的字典，定義在 dict.h 檔案中，其主要的屬性如下

typedef struct dict {
    dictType *type;
    void *privdata;
    dictht ht[2]; //方便漸進的rehash擴容，dict的hashtable
    long rehashidx; /* rehashing not in progress if rehashidx == -1 */
    unsigned long iterators; /* number of iterators currently running */
} dict;

• ht[2]: 雜湊表陣列，為了擴容方便有 2 個元素，其中一個雜湊表正常儲存資料，另一個雜湊表為空，空雜湊表在 rehash 時使用
• rehashidx:rehash 索引，當不在進行 rehash 時，值為 -1

4，dictht

　　dictht 是雜湊表結構，定義在 dict.h 檔案中，其重要的屬性如下

typedef struct dictht {
    dictEntry **table;
    unsigned long size;
    unsigned long sizemask;
    unsigned long used;
} dictht;

• **table: key-value 鍵值對節點陣列，類似 Java 中的 HashMap 底層陣列
• size: 雜湊表容量大小
• sizemask: 總是等於 size - 1，用於計算索引值
• used: 雜湊表實際儲存的 dictEntry 數量

5，dictEntry

　　dictEntry 是 redis 中的 key-value 鍵值對節點，是實際儲存資料的節點，定義在 dict.h 檔案中，其重要的屬性如下

typedef struct dictEntry {
    void *key;
    union {
        void *val;
        uint64_t u64;
        int64_t s64;
        double d;
    } v;
    struct dictEntry *next;
} dictEntry;

• *key: 鍵物件，總是一個字串型別的物件 SDS
• *val: 值物件，可能是任意型別的物件。對應常見的5種資料型別：string,hash,list,set,zset
• *next: 尾指標，指向下一個節點

三、資料型別

1，Redis資料物件結構

　　Redis 資料庫中所有資料都以 key-value 節點 dictEntry 儲存，其中 key 和 value 都是一個 redisObject 結構體物件，只不過 key 總是一個字串型別的物件(SDS)，value 則可能是任意一種資料型別的物件。 redisObject 結構體定義在 server.h 中如下所示

typedef struct redisObject {
    unsigned type:4;       //佔用4bit
    unsigned encoding:4;   //佔用4bit
    unsigned lru:LRU_BITS; /*佔用24bit LRU time (relative to global lru_clock) or
                            * LFU data (least significant 8 bits frequency
                            * and most significant 16 bits access time). */
    int refcount;          //佔用4byte
    void *ptr;             //佔用8byte  總空間:4bit+4bit+24bit+4byte+8byte = 16byte
} robj;

　　可以看到該結構體中重要的屬性如下，不同的物件具有不同的型別 type，同一個型別的 type 會有不同的儲存形式 encoding

• type: 該屬性標明瞭資料物件的型別，比如 String，List 等
• encoding: 這個屬性指明瞭物件底層的儲存結構，比如 ZSet 型別物件可能的儲存結構有 ZIPLIST 和 SKIPLIST
• *ptr: 指向底層儲存結構的指標

2，Redis資料型別及儲存結構

　　 Redis 中資料型別及其儲存結構定義在 server.h 檔案中

/* The actual Redis Object */
#define OBJ_STRING 0    /* String object. */
#define OBJ_LIST 1      /* List object. */
#define OBJ_SET 2       /* Set object. */
#define OBJ_ZSET 3      /* Sorted set object. */
#define OBJ_HASH 4      /* Hash object. */

#define OBJ_MODULE 5    /* Module object. */
#define OBJ_STREAM 6    /* Stream object. */

#define OBJ_ENCODING_RAW 0     /* Raw representation */
#define OBJ_ENCODING_INT 1     /* Encoded as integer */
#define OBJ_ENCODING_HT 2      /* Encoded as hash table */
#define OBJ_ENCODING_ZIPMAP 3  /* Encoded as zipmap */
#define OBJ_ENCODING_LINKEDLIST 4 /* No longer used: old list encoding. */
#define OBJ_ENCODING_ZIPLIST 5 /* Encoded as ziplist */
#define OBJ_ENCODING_INTSET 6  /* Encoded as intset */
#define OBJ_ENCODING_SKIPLIST 7  /* Encoded as skiplist */
#define OBJ_ENCODING_EMBSTR 8  /* Embedded sds string encoding */
#define OBJ_ENCODING_QUICKLIST 9 /* Encoded as linked list of ziplists */
#define OBJ_ENCODING_STREAM 10 /* Encoded as a radix tree of listpacks */

四、Redis中常用資料型別和結構

1，字串物件String

　　OBJ_STRING 字串物件底層資料結構一般為簡單動態字串（SDS），但其儲存方式可以是 OBJ_ENCODING_INT、OBJ_ENCODING_EMBSTR 和 OBJ_ENCODING_RAW，不同的儲存方式代表著物件記憶體結構的不同。

a）OBJ_ENCODING_INT

　　如果儲存的字串長度小於 20 並且可以解析為整數(值範圍為:-2^63 ~ 2^63-1)，那麼這個整數就會直接儲存在 redisObject 的 ptr 屬性裡

b）OBJ_ENCODING_EMBSTR

　　長度小於 44 （OBJ_ENCODING_EMBSTR_SIZE_LIMIT）的字串將以簡單動態字串（SDS） 的形式儲存，但是會使用 malloc 方法一次分配記憶體，將 redisObject 物件頭和 SDS 物件連續存在一起。因為預設分配空間為64byte，而其中value為string型別採用sdshdr8中len、alloc、flags各佔用1byte，buf以'\0'佔用1byte，redisObject佔用16位元組，剩餘buff可使用為64-4-16=44byte。

c）OBJ_ENCODING_RAW

　　字串將以簡單動態字串（SDS）的形式儲存，需要兩次 malloc 分配記憶體，redisObject 物件頭和 SDS 物件在記憶體地址上一般是不連續的

d）檢測

#string型別檢視redis的儲存
SET key value                               //存入字串鍵值對
STRLEN key                                  //檢視key的長度(佔用的byte位元組)
OBJECT ENCODING key                         //檢視key在redis中的儲存型別
SETRANGE key offset value                   //修改key從offset(字元偏移量)字元修改為value，如果原本為embstr修改後也會變成raw。
GETRANGE key start end                      //獲取key的部分值

2，列表物件list

　　OBJ_LIST 列表物件的底層儲存結構有過 3 種實現，分別是 OBJ_ENCODING_LINKEDLIST、 OBJ_ENCODING_ZIPLIST 和 OBJ_ENCODING_QUICKLIST，其中 OBJ_ENCODING_LINKEDLIST 在 3.2 版本以後就廢棄了。使用命令：OBJECT ENCODING key 檢視儲存型別。

a）OBJ_ENCODING_LINKEDLIST

　　底層採用雙端連結串列實現，每個連結串列節點都儲存了一個字串物件，在每個字串物件內儲存了一個元素。

b）OBJ_ENCODING_ZIPLIST

　　底層實現類似陣列，使用特點屬性儲存整個列表的元資訊，如整個列表佔用的記憶體大小，列表儲存的資料開始的位置，列表儲存的資料的個數等，其儲存的資料被封裝在 zlentry。

• zlbytes：記錄整個壓縮列表佔用的記憶體位元組數。uint_32_t，4byte。
• zltail：記錄壓縮列表表尾節點距離起始地址有多少位元組，通過這個偏移量，程式無需遍歷整個壓縮列表就能確定表尾節點地址。uint_32_t，4byte。
• zlen：記錄壓縮列表包含的節點數量。uint_16_t，2byte。
• entryX：壓縮列表的各個節點，節點長度由儲存的內容決定。
• zlend：特殊值(0xFFF)，用於標記壓縮列表末端。uint_8_t，1byte。
  • prerawlen：表示當前節點的前一個節點長度
  • len：當前節點的長度
  • data：當前節點的資料

c）OBJ_ENCODING_QUICKLIST

　　底層採用雙端連結串列結構，不過每個連結串列節點都儲存一個 ziplist，資料儲存在 ziplist 中

d）redis.conf配置

　　通過設定每個ziplist的最大容量，quicklist的資料壓縮範圍，提升資料存取效率。

list-max-ziplist-size -2                    //單個ziplist節點最大能儲存8kb，超過則進行分裂，將資料儲存在新的ziplist節點中
list-compress-depth   0                     //0代表所有節點，都不進行壓縮。1，代表從頭節點往後走一個，尾部節點往前走一個不用壓縮，其他的全部壓縮。

3，集合物件Set

　　OBJ_SET集合物件的底層儲存結構有兩種，OBJ_ENCODING_HT和OBJ_ENCODING_INTSET

a）OBJ_ENCODING_INTSET

typedef struct intset {
    uint32_t encoding;   //編碼型別
    uint32_t length;       //元素個數
    int8_t contents[];     //元素資料
} intset;

//redis中儲存整型的編碼型別有int16_t,int32_t,int64_t
#define INTSET_ENC_INT16(sizeof(int16_t))
#define INTSET_ENC_INT32(sizeof(int32_t))
#define INTSET_ENC_INT64(sizeof(int64_t))

　　集合儲存的所有元素都是整數值將會採用這種儲存結構，但①當集合物件儲存的元素數量超過512 (由server.set_max_intset_entries 配置)或者②元素無法用整型表示後會轉化為 OBJ_ENCODING_HT

b）OBJ_ENCODING_HT

　　底層為dict字典，資料作為字典的鍵儲存，鍵對應的值都是NULL，與 Java 中的 HashSet 類似

4，有序集合ZSet

　　OBJ_ZSET 有序集合物件的儲存結構分為 OBJ_ENCODING_SKIPLIST 和 OBJ_ENCODING_ZIPLIST

a）OBJ_ENCODING_ZIPLIST

　　當 ziplist 作為 zset 的底層儲存結構時，每個集合元素使用兩個緊挨在一起的壓縮列表節點來儲存，第一個節點儲存元素值，第二個元素儲存元素的分值，而且分值小的靠近表頭，大的靠近表尾

　　有序集合物件使用 ziplist 儲存需要同時滿足以下兩個條件，不滿足任意一條件將使用 skiplist

• 所有元素長度小於64 (server.zset_max_ziplist_value 配置)位元組
• 元素個數小於128 (server.zset-max-ziplist-entries 配置)

b）OBJ_ENCODING_SKIPLIST

　　底層實現是跳躍表結合字典。每個跳躍表節點都儲存一個集合元素，並按分值從小到大排列，節點的 object 屬性儲存了元素的值，score屬性儲存分值；字典的每個鍵值對儲存一個集合元素，元素值包裝為字典的鍵，元素分值儲存為字典的值。

　　skiplist 同時使用跳躍表和字典實現的原因：

• 跳躍表優點是有序，但是查詢分值時複雜度為O(logn)；字典查詢分值（zscore命令）複雜度為O(1) ，但是無序，結合兩者可以實現優勢互補
• 集合的元素成員和分值是共享的，跳躍表和字典通過指標指向同一地址，不會浪費記憶體

5，雜湊物件Hash

　　OBJ_HASH 的儲存結構分為 OBJ_ENCODING_ZIPLIST 和 OBJ_ENCODING_HT(使用命令：OBJECT ENCODING key 檢視儲存型別)，其實現如下：

a）OBJ_ENCODING_ZIPLIST

　　在以 ziplist 結構儲存資料的雜湊物件中，key-value 鍵值對以緊密相連的方式存入壓縮連結串列，先把key放入表尾，再放入value；鍵值對總是向表尾新增。

• 雜湊物件使用 ziplist 儲存資料需要同時滿足以下兩個條件，不滿足任意一個都使用 dict 結構
  • 所有鍵值對的鍵和值的字串長度都小於64 (server.hash_max_ziplist_value 配置)位元組
  • 鍵值對數量小於512(server.hash-max-ziplist-entries)個

b）OBJ_ENCODING_HT

　　底層為 dict 字典，雜湊物件中的每個 key-value 對都使用一個字典鍵值對dictEntry來儲存，字典的鍵和值都是字串物件。

c）檢測

HMSET key f1 v1 f2 v2 f3 v3                 //在一個雜湊表key中儲存多個鍵值對
OBJECT ENCODING key                         //檢視key在redis中的儲存型別為ziplist
HGETALL key                                 //檢視key對應的所有field和value發現為有序的
HSET key f4 x...x                           //在一個雜湊表key中儲存一個長度超過64的value
HSTRLEN key f4                              //檢視key中field為f4的長度
OBJECT ENCODING key                         //檢視key在redis中的儲存型別為hashtable
HGETALL key                                 //檢視key對應的所有field和value發現為無序

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