图解Redis之数据结构篇—

前言

整数集合(intset)并不是一个基础的数据结构，而是Redis自己设计的一种存储结构，是集合键的底层实现之一,当一个集合只包含整数值元素,并且这个集合的元素数量不多时, Redis i就会使用整数集合作为集合键的底层实现。

一、整数集合实现

整数集合(intset)是Redis用于保存整数值的集合抽象数据结构,它可以保存类型为int16_t、int32_t或者int64_t的整数值,并且保证集合中不会出现重复元素。

//每个intset结构表示一个整数集合

typedef struct intset{

    //编码方式

    uint32_t encoding;

    //集合中包含的元素数量

    uint32_t length;

    //保存元素的数组

    int8_t contents[];

} intset;

contents数组是整数集合的底层实现，整数集合的每个元素都是 contents数组的个数组项(item),各个项在数组中按值的大小从小到大有序地排列,并且数组中不包含任何重复项。
length属性记录了数组的长度。
intset结构将contents属性声明为int8_t类型的数组,但实际上 contents数组并不保存任何int8t类型的值, contents数组的真正类型取决于encoding属性的值。encoding属性的值为INTSET_ENC_INT16则数组就是uint16_t类型，数组中的每一个元素都是int16_t类型的整数值(-32768——32767)，encoding属性的值为INTSET_ENC_INT32则数组就是uint32_t类型，数组中的每一个元素都是int16_t类型的整数值(-2147483648——2147483647)。

如上图，为一int16_t类型的整数集合，我们可以看到数组中存储了5个int16_t类型的整数，它们按照从小到大的顺序依次排列。这个时候我们思考一个问题。如果这个时候存入一个int32_t类型的整数会怎么样？内存溢出？这个时候就要提到整数集合的升级。

二、整数集合的升级

2.1 整数集合升级过程

正如上面所提到的问题，每当我们要将一个新元素添加到整数集合里面,并且新元素的类型比整数集合现有所有元素的类型都要长时,整数集合需要先进行升级,然后才能将新元素添加到整数集合里面。升级整数集合并添加新元素主要分三步来进行。

根据新元素的类型,扩展整数集合底层数组的空间大小,并为新元素分配空间。
将底层数组现有的所有元素都转换成与新元素相同的类型,并将类型转换后的元素放置到正确的位上,而且在放置元素的过程中,需要继续维持底层数组的有序性质不变。
将新元素添加到底层数组里面。

2.2 整数集合升级的优点

提升灵活性

因为C语言是静态类型语言,为了避免类型错误,我们通常不会将两种不同类型的值放在同一个数据结构里面。

例如,我们一般只使用int16_t类型的数组来保存int16_t类型的值,只使用int32_t类型的数组来保存int32_t类型的值,诸如此类。但是,因为整数集合可以通过自动升级底层数组来适应新元素,所以我们可以随意地将int16_t、int32_t或者int64_t类型的整数添加到集合中,而不必担心出现类型错误,这种做法非常灵活。

节约内存

要让一个数组可以同时保存int16_t、int32_t、int64_t三种类型的值,最简单的做法就是直接使用int64t类型的数组作为整数集合的底层实现。不过这样一来,即使添加到整数集合里面的都是int16_t类型或者int32_t类型的值,数组都需要使用int64_t类型的空间去保存它们,从而出现浪费内存的情况。

而整数集合现在的做法既可以让集合能同时保存三种不同类型的值,又可以确保升级操作只会在有需要的时候进行,这可以尽量节省内存。如果我们一直只向整数集合添加int16_t类型的值,那么整数集合的底层实现就会一直是int16_t类型的数组,只有在我们要将int32_t类型或者int64_t类型的值添加到集合时,程序才会对数组进行升级。

2.3 降级

整数集合不支持降级操作,一旦对数组进行了升级,编码就会一直保持升级后的状态。也就是说一旦我们向一个int16_t的整数集合内添加了一个int32_t的元素后，整数集合将升级到int32_t类型。即使后续的操作中我们删除了这个元素，整数集合还是会保持int32_t类型的状态。

三、整数集合常用操作时间复杂度

操作	时间复杂度
创建一个新的整数集合	O(1)
添加指定元素到集合	O(N)
移除指定元素	O(N)
判断指定元素是否在集合中	O(logN)
随机返回一个元素	O(1)
取出在指定索引上的元素	O(1)
返回集合包含的元素个数	O(1)
返回集合占用的内存字节数	O(1)

本文重点

整数集合是Redis自己设计的一种存储结构,集合键的底层实现之一。
整数集合的底层实现为数组,这个数组以有序、无重复的方式保存集合元素,在有需要时,程序会根据新添加元素的类型,改变这个数组的类型。
升级操作为整数集合带来了操作上的灵活性,并且尽可能地节约了内存。
整数集合只支持升级操作,不支持降级操作。

参考

《Redis设计与实现》

《Redis开发与运维》

《Redis官方文档》

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