Redis学习之底层链表源码分析

Redis底层链表的源码分析：

一.链表结点的结构（单个结点）：

// listNode 双端链表节点
typedef struct listNode {

    // 前置节点
    struct listNode *prev;

    // 后置节点
    struct listNode *next;

    // 节点的值
    void *value;

} listNode;

该链表为双向链表，由多个listNode结点组成的链表结构图如下：

二.双端链表的结构：

// list 双端链表
typedef struct list { // 在c语言中,用结构体的方式来模拟对象是一种常见的手法

    // 表头节点
    listNode *head;

    // 表尾节点
    listNode *tail;

    // 节点值复制函数
    void *(*dup)(void *ptr);

    // 节点值释放函数
    void(*free)(void *ptr);

    // 节点值对比函数
    int(*match)(void *ptr, void *key);

    // 链表所包含的节点数量
    unsigned long len;

} list;

这种链表的封装实现方法可以说说极具特色了，由lsit结构和listNode结点组成的链表结构图如下：

其中封装了3个内置函数

1.dup函数：复制链表结点所保存的值

2.free函数：释放链表结点所保存的值

3.match函数：对比链表结点所保存的值和另一个输入值是否相等

这三个函数是用于实现多态链表所需的类型特定函数

三.Redis链表的特性：

1.双端：获取某个结点的前驱和后继结点都是O(1)

2.无环：表头的prev指针和表尾的next指针都指向NULL，对链表的访问都是以NULL为终点

3.带表头指针和表尾指针：获取表头和表尾的复杂度都是O(1)

4.带链表长度计数器：len属性记录，获取链表长度O(1)

5.多态：链表结点使用void*指针来保存结点的值，并且可以通过链表结构的三个函数为结点值设置类型特定函数，所以链表可以保存各种不同类型的值

四.链表和链表结点的API

ps：下面这些API中出现的zmalloc函数为内存分配模块函数，暂不探究

先讲一下根据list结构宏定义实现的函数：

/* 作为宏实现的函数 */
//获取长度
#define listLength(l) ((l)->len)
//获取头节点
#define listFirst(l) ((l)->head)
//获取尾结点
#define listLast(l) ((l)->tail)
//获取前一个结点
#define listPrevNode(n) ((n)->prev)
//获取后一个结点
#define listNextNode(n) ((n)->next)
//获取结点的值 是一个void类型指针
#define listNodeValue(n) ((n)->value)

/* 下面3个函数主要用来设置list结构中3个函数指针，参数m为method的意思 */
#define listSetDupMethod(l,m) ((l)->dup = (m))
#define listSetFreeMethod(l,m) ((l)->free = (m))
#define listSetMatchMethod(l,m) ((l)->match = (m))

/* 下面3个函数主要用来获取list结构的单个函数指针 */
#define listGetDupMethod(l) ((l)->dup)
#define listGetFree(l) ((l)->free)
#define listGetMatchMethod(l) ((l)->match)

ok，继续讲具体的API

1）listCreate函数：创建一个不包含任何结点的新链表

/*
 * listCreate 创建一个新的链表
 *
 * 创建成功返回链表，失败返回 NULL 。
 *
 * T = O(1)
 */
list *listCreate(void)
{
    struct list *list;

    // 分配内存
    if ((list = zmalloc(sizeof(*list))) == NULL)
        return NULL;//内存分配失败则返回NULL

    // 初始化属性
    list->head = list->tail = NULL;//空链表
    list->len = ;
    list->dup = NULL;
    list->free = NULL;
    list->match = NULL;

    return list;
}

注意创建的是不含任何结点的空链表，内存分配失败返回NULL

2）listAddNodeHead函数：将一个包含给定值的新结点添加到给定链表的表头

/*
 * listAddNodeHead 将一个包含有给定值指针 value 的新节点添加到链表的表头
 *
 * 如果为新节点分配内存出错，那么不执行任何动作，仅返回 NULL
 *
 * 如果执行成功，返回传入的链表指针
 *
 * T = O(1)
 */
list *listAddNodeHead(list *list, void *value)
{
    listNode *node;

    // 为节点分配内存
    if ((node = zmalloc(sizeof(*node))) == NULL)
        return NULL;

    // 保存值指针
    node->value = value;

    // 添加节点到空链表
    if (list->len == ) {
        list->head = list->tail = node;
        //该结点的前驱和后继都为NULL
        node->prev = node->next = NULL;
    }
    else { // 添加节点到非空链表
        node->prev = NULL;
        node->next = list->head;
        list->head->prev = node;
        list->head = node;
    }

    // 更新链表节点数
    list->len++;

    return list;
}

就是将一个给定的结点插入到指定链表的表头

3）listAddNodeTail函数：将一个包含给定值的新结点插入到给定链表的表尾

/*
 * listAddNodeTail 将一个包含有给定值指针 value 的新节点添加到链表的表尾
 *
 * 如果为新节点分配内存出错，那么不执行任何动作，仅返回 NULL
 *
 * 如果执行成功，返回传入的链表指针
 *
 * T = O(1)
 */
list *listAddNodeTail(list *list, void *value)
{
    listNode *node;

    // 为新节点分配内存
    if ((node = zmalloc(sizeof(*node))) == NULL)
        return NULL;

    // 保存值指针
    node->value = value;

    // 目标链表为空
    if (list->len == ) {
        list->head = list->tail = node;
        node->prev = node->next = NULL;
    }//目标链非空
    else {
        node->prev = list->tail;
        node->next = NULL;
        list->tail->next = node;
        list->tail = node;
    }

    // 更新链表节点数
    list->len++;

    return list;
}

4）listInsertNode函数：将一个给定值的新结点插入到给定结点之前或者之后

/*
 * listInsertNode 创建一个包含值 value 的新节点，并将它插入到 old_node 的之前或之后
 *
 * 如果 after 为 0 ，将新节点插入到 old_node 之前。
 * 如果 after 为 1 ，将新节点插入到 old_node 之后。
 *
 * T = O(1)
 */
list *listInsertNode(list *list, listNode *old_node, void *value, int after) {
    listNode *node;

    // 创建新节点
    if ((node = zmalloc(sizeof(*node))) == NULL)
        return NULL;

    // 保存值
    node->value = value;

    // 将新节点添加到给定节点之后
    if (after) {
        node->prev = old_node;
        node->next = old_node->next;
        // 给定节点是原表尾节点
        if (list->tail == old_node) {
            list->tail = node;
        }
    }
    // 将新节点添加到给定节点之前
    else {
        node->next = old_node;
        node->prev = old_node->prev;
        // 给定节点是原表头节点
        if (list->head == old_node) {
            list->head = node;
        }
    }

    // 更新新节点的前置指针
    if (node->prev != NULL) {
        node->prev->next = node;
    }
    // 更新新节点的后置指针
    if (node->next != NULL) {
        node->next->prev = node;
    }

    // 更新链表节点数
    list->len++;

    return list;
}

5）listDelNode函数：从指定的list中删除给定的结点

/*
 * listDelNode 从链表 list 中删除给定节点 node
 *
 * 对节点私有值(private value of the node)的释放工作由调用者进行。该函数一定会成功.
 *
 * T = O(1)
 */
void listDelNode(list *list, listNode *node)
{
    // 调整前置节点的指针
    if (node->prev)
        node->prev->next = node->next;
    else
        list->head = node->next;

    // 调整后置节点的指针
    if (node->next)
        node->next->prev = node->prev;
    else
        list->tail = node->prev;

    // 释放值
    if (list->free) list->free(node->value);

    // 释放节点
    zfree(node);

    // 链表数减一
    list->len--;
}

6）listRelease函数：释放给定链表以及链表中所有结点

/*
 * listRelease 释放整个链表，以及链表中所有节点, 这个函数不可能会失败.
 *
 * T = O(N)
 */
void listRelease(list *list)
{
    unsigned long len;
    listNode *current, *next;

    // 指向头指针
    current = list->head;
    // 遍历整个链表
    len = list->len;
    while (len--) {
        next = current->next;

        // 如果有设置值释放函数，那么调用它
        if (list->free) list->free(current->value);

        // 释放节点结构
        zfree(current);

        current = next;
    }

    // 释放链表结构
    zfree(list);
}

该函数不仅释放了表结点的内存还释放了表结构的内存！

7）listGetIterator函数：为给定链表创建一个迭代器

在讲这个函数之前，我们应该先看看链表迭代器的结构：

// listIter 双端链表迭代器
typedef struct listIter {

    // 当前迭代到的节点
    listNode *next;

    // 迭代的方向
    int direction;

} listIter;

迭起器只有两个重要的属性：当前迭代到的结点，迭代的方向

下面再看看链表的迭代器创建函数

/*
 * listGetIterator 为给定链表创建一个迭代器，
 * 之后每次对这个迭代器调用 listNext 都返回被迭代到的链表节点,调用该函数不会失败
 *
 * direction 参数决定了迭代器的迭代方向：
 *  AL_START_HEAD ：从表头向表尾迭代
 *  AL_START_TAIL ：从表尾想表头迭代
 *
 * T = O(1)
 */
listIter *listGetIterator(list *list, int direction)
{
    // 为迭代器分配内存
    listIter *iter;
    if ((iter = zmalloc(sizeof(*iter))) == NULL) return NULL;

    // 根据迭代方向，设置迭代器的起始节点
    if (direction == AL_START_HEAD)
        iter->next = list->head;
    else
        iter->next = list->tail;

    // 记录迭代方向
    iter->direction = direction;

    return iter;
}

8）listReleaseIterator函数：释放指定的迭代器

/*
 * listReleaseIterator 释放迭代器
 *
 * T = O(1)
 */
void listReleaseIterator(listIter *iter) {
    zfree(iter);
}

9）listRewind函数和listRewindTail函数：迭代器重新指向表头或者表尾的函数

/*
 * 将迭代器的方向设置为 AL_START_HEAD,
 * 并将迭代指针重新指向表头节点。
 *
 * T = O(1)
 */
void listRewind(list *list, listIter *li) {
    li->next = list->head;
    li->direction = AL_START_HEAD;
}

/*
 * 将迭代器的方向设置为 AL_START_TAIL,
 * 并将迭代指针重新指向表尾节点。
 *
 * T = O(1)
 */
void listRewindTail(list *list, listIter *li) {
    li->next = list->tail;
    li->direction = AL_START_TAIL;
}

10）listNext函数：返回当前迭代器指向的结点

/*
 * 返回迭代器当前所指向的节点。
 *
 * 删除当前节点是允许的,但不能修改链表里的其他节点。
 *
 * 函数要么返回一个节点,要么返回 NULL,常见的用法是：
 *
 * iter = listGetIterator(list,<direction>);
 * while ((node = listNext(iter)) != NULL) {
 *     doSomethingWith(listNodeValue(node));
 * }
 *
 * T = O(1)
 */
listNode *listNext(listIter *iter)
{
    listNode *current = iter->next;

    if (current != NULL) {
        // 根据方向选择下一个节点
        if (iter->direction == AL_START_HEAD)
            // 保存下一个节点，防止当前节点被删除而造成指针丢失
            iter->next = current->next;
        else
            // 保存下一个节点，防止当前节点被删除而造成指针丢失
            iter->next = current->prev;
    }

    return current;
}

该函数保持了当前结点的下一个结点，避免了当前结点被删除而迭代器无法继续迭代的尴尬情况

11）listDup函数：复制整个链表，返回副本

/*
 * 复制整个链表。
 *
 * 复制成功返回输入链表的副本，
 * 如果因为内存不足而造成复制失败，返回 NULL 。
 *
 * 如果链表有设置值复制函数 dup ，那么对值的复制将使用复制函数进行，
 * 否则，新节点将和旧节点共享同一个指针。
 *
 * 无论复制是成功还是失败，输入节点都不会修改。
 *
 * T = O(N)
 */
list *listDup(list *orig)
{
    list *copy;//链表副本
    listIter *iter;//链表迭代器
    listNode *node;//链表结点

    // 创建新的空链表
    if ((copy = listCreate()) == NULL)
        return NULL;//创建空的链表失败则返回NULL

    // 设置副本链表的节点值处理函数
    copy->dup = orig->dup;
    copy->free = orig->free;
    copy->match = orig->match;

    //获取输入链表的迭代器
    iter = listGetIterator(orig, AL_START_HEAD);

    //遍历整个输入链表进行复制
    while ((node = listNext(iter)) != NULL) {

        //副本结点值
        void *value;

        // 存在复制函数
        if (copy->dup) {

            //调用复制函数复制
            value = copy->dup(node->value);

            //复制结果为空，说明复制失败
            if (value == NULL) {

                //复制失败则释放副本链表和迭代器，避免内存泄漏
                listRelease(copy);
                listReleaseIterator(iter);

                return NULL;
            }
        }
        //不存在复制函数 则直接指针指向
        else
            value = node->value;

        // 将节点添加到副本链表
        if (listAddNodeTail(copy, value) == NULL) {

            //如果不能成功添加，则释放副本链表和迭代器，避免内存泄漏
            listRelease(copy);
            listReleaseIterator(iter);

            return NULL;
        }
    }

    // 释放迭代器
    listReleaseIterator(iter);

    // 返回副本
    return copy;
}

如果复制失败则要注意释放副本链表和迭代器，避免内存泄漏

12）listSearchKey函数：查找list中值和key匹配的结点

/*
 * 查找链表 list 中值和 key 匹配的节点。
 *
 * 对比操作由链表的 match 函数负责进行，
 * 如果没有设置 match 函数，
 * 那么直接通过对比值的指针来决定是否匹配。
 *
 * 如果匹配成功，那么第一个匹配的节点会被返回。
 * 如果没有匹配任何节点，那么返回 NULL 。
 *
 * T = O(N)
 */
listNode *listSearchKey(list *list, void *key)
{
    listIter *iter;//链表迭代器
    listNode *node;//链表结点

    //获得链表迭代器
    iter = listGetIterator(list, AL_START_HEAD);

    //遍历整个链表查询
    while ((node = listNext(iter)) != NULL) {

        //存在比较函数
        if (list->match) {

            //利用比较函数进行比较
            if (list->match(node->value, key)) {

                //返回目标结点之前释放迭代器空间，避免内存泄漏
                listReleaseIterator(iter);

                return node;
            }
        }
        //不存在比较函数
        else {
            //直接比较
            if (key == node->value) {

                //返回目标结点之前释放迭代器空间，避免内存泄漏
                listReleaseIterator(iter);
                // 找到
                return node;
            }
        }
    }

    //返回目标结点之前释放迭代器空间，避免内存泄漏
    listReleaseIterator(iter);

    // 未找到
    return NULL;
}

 

13）listIndex函数：返回链表在给定索引上的值

/*
 * 返回链表在给定索引上的值。
 *
 * 索引以 0 为起始，也可以是负数， -1 表示链表最后一个节点，诸如此类。
 *
 * 如果索引超出范围(out of range),返回 NULL 。
 *
 * T = O(N)
 */
listNode *listIndex(list *list, long index) {

    listNode *n;//链表结点

    /* n不用设置成NULL的原因：
    如果索引超出范围，
    那肯定是找到表头或者表尾没有找到，
    表头的前驱和表尾的后继都是NULL，
    所以这里n不用设置为NULL，直接设置也可以*/

    // 如果索引为负数，从表尾开始查找
    if (index < ) {

        //变成正数，方便索引
        index = (-index) - ;

        //从尾部开始找
        n = list->tail;

        //寻找 因为从尾部开始找，所以是前驱
        while (index-- && n) n = n->prev;

    }

    // 如果索引为正数，从表头开始查找
    else {

        //从头部开始找
        n = list->head;

        //寻找 因为从头部开始找，所以是后继
        while (index-- && n) n = n->next;
    }

    return n;
}

14)listRotate函数：取出链表的表尾结点放到表头，成为新的表头结点

/*
 * 取出链表的表尾节点，并将它移动到表头，成为新的表头节点。
 *
 * T = O(1)
 */
void listRotate(list *list) {

    //表尾结点
    listNode *tail = list->tail;

    //如果链表中只有一个元素，那么表头就是表尾，可以直接返回
    if (listLength(list) <= ) return;

    // 重新设置表尾节点
    list->tail = tail->prev;
    list->tail->next = NULL;

    // 插入到表头
    list->head->prev = tail;
    tail->prev = NULL;
    tail->next = list->head;
    list->head = tail;
}

总结：Redis内置的链表实现还是很简单的，代码也不多，但是功能都有，值得学习

参考：《Redis设计与实现》