Redis底层结构全了解

第一篇文章，思来想去，写一写Redis吧，最近在深入研究它。

一丶Redis底层结构

1. redis 存储结构

• redis的存储结构从外层往内层依次是redisDb、dict、dictht、dictEntry。
• redis的Db默认情况下有16个，每个redisDb内部包含一个dict的数据结构。
• redis的dict内部包含dictht的数组，数组个数为2，主要用于hash扩容使用。
• dictht内部包含dictEntry的数组，可以理解就是hash的桶，然后如果冲突通过挂链法解决

redisServer内部包含着 redisDb *db的数组元素，只是用指针体现而已。

redisDb内部包含着dict *dict和dict *expires，用于存储数据和过期事件。

dict内部包含 dictht ht[2]，是存储数据的对象，之所以有两个元素是为了扩容方便。

真正保存数据的核心数据结构， dictEntry **table可以理解为hash的桶，通过挂链法解决冲突。

存储数据的单个节点，包含key和value。保存我们存储在redis的数据。

2.redis 数据存储过程

数据存储过程以set为例作为说明，过程如下：

• 从redisDb当中找到dict，每个db就一个dict而已。
• 从dict当中选择具体的dictht对象。
• 首先根据key计算hash桶的位置，也就是index。
• 新建一个DictEntry对象用于保存key/value，将新增的entry挂到dictht的table对应的hash桶当中，每次保存到挂链的头部。
• dictSetKey的宏保存key
• dictSetVal的宏保存value

3.redis 过期事件存储过程

redis的过期事件存储在db->expires的对象当中，整个设置过期时间的过程如下：

• 从db-dict获取原来存储数据，之所以去取数是为了保证key的存在性
• 从db->expires获取旧的过期事件并重新计算过期时间dictReplaceRaw
• 过期时间重新保存到DictEntry当中，也就是db->expires中的某个对象。

4.命令执行过程

整个redis的server端命令执行过程就如下面这个流程图：

1. nio层读取数据
2. 解析数据到命令行格式
3. 查找命令对应的执行函数执行命令
4. 同步数据到slave和aof

二丶Redis底层数据结构

1.string

• 整数：存储字符串长度小于21且能够转化为整数的字符串。
• emstr：存储字符串长度小于39的字符串
• sds：剩余情况使用sds进行存储。

embstr和sds的区别在于内存的申请和回收

embstr的创建只需分配一次内存，而raw为两次（一次为sds分配对象，另一次为redisObject分配对象，embstr省去了第一次）。相对地，释放内存的次数也由两次变为一次。

embstr的redisObject和sds放在一起，更好地利用缓存带来的优势

缺点：redis并未提供任何修改embstr的方式，即embstr是只读的形式。对embstr的修改实际上是先转换为raw再进行修改。

用SDS保存字符串 “Redis”具体图示如下：

2.List

redis list数据结构底层采用压缩列表ziplist或linkedlist两种数据结构进行存储，首先以ziplist进行存储，在不满足ziplist的存储要求后转换为linkedlist列表。

当列表对象同时满足以下两个条件时，列表对象使用ziplist进行存储，否则用linkedlist存储。

• 列表对象保存的所有字符串元素的长度小于64字节
• 列表对象保存的元素数量小于512个。

redis list元素添加过程：

list的数据添加根据传入的变量个数一个个顺序添加，整个顺序如下：

• 创建list对象并添加到db的数据结构当中
• 针对每个待插入的元素添加到list当中
• list的每个元素的插入过程中，我们会对是否需要进行转码作两个判断：
• 对每个插入元素的长度进行判断是否进行ziplist->linkedlist的转码。
• 对list总长度是否超过ziplist最大长度的判断。

3.hashmap

redis的哈希对象的底层存储可以使用ziplist（压缩列表）和hashtable。当hash对象可以同时满足一下两个条件时，哈希对象使用ziplist编码。

• 哈希对象保存的所有键值对的键和值的字符串长度都小于64字节
• 哈希对象保存的键值对数量小于512个

4.set

redis的集合对象set的底层存储结构特别神奇，我估计一般人想象不到，底层使用了intset和hashtable两种数据结构存储的，intset我们可以理解为数组，hashtable就是普通的哈希表（key为set的值，value为null）。是不是觉得用hashtable存储set是一件很神奇的事情。

set的底层存储intset和hashtable是存在编码转换的，使用intset存储必须满足下面两个条件，否则使用hashtable，条件如下：

• 结合对象保存的所有元素都是整数值
• 集合对象保存的元素数量不超过512个

5.zset

zset底层的存储结构包括ziplist或skiplist，在同时满足以下两个条件的时候使用ziplist，其他时候使用skiplist，两个条件如下：

• 有序集合保存的元素数量小于128个
• 有序集合保存的所有元素的长度小于64字节

当ziplist作为zset的底层存储结构时候，每个集合元素使用两个紧挨在一起的压缩列表节点来保存，第一个节点保存元素的成员，第二个元素保存元素的分值。

当skiplist作为zset的底层存储结构的时候，使用skiplist按序保存元素及分值，使用dict来保存元素和分值的映射关系。

6.数据结构

ziplist：

压缩列表，压缩列表（ziplist）是Redis为了节省内存而开发的，是由一系列特殊编码的连续内存块组成的顺序型数据结构，一个压缩列表可以包含任意多个节点（entry），每个节点可以保存一个字节数组或者一个整数值。

压缩列表的原理：压缩列表并不是对数据利用某种算法进行压缩，而是将数据按照一定规则编码在一块连续的内存区域，目的是节省内存。

ziplist的数据结构主要包括两层，ziplist和zipEntry。

• ziplist包括zip header、zip entry、zip end三个模块。
• zip entry由prevlen、encoding&length、value三部分组成。
• prevlen主要是指前面zipEntry的长度，coding&length是指编码字段长度和实际- 存储value的长度，value是指真正的内容。
• 每个key/value存储结果中key用一个zipEntry存储，value用一个zipEntry存储。

 inset：

intset内部其实是一个数组（int8_t coentents[]数组），而且存储数据的时候是有序的，因为在查找数据的时候是通过二分查找来实现的。整数集合（intset）是Redis用于保存整数值的集合抽象数据类型，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。

整数集合的每个元素都是 contents 数组的一个数据项，它们

升级

当我们新增的元素类型比原集合元素类型的长度要大时，需要对整数集合进行升级，才能将新元素放入整数集合中。具体步骤：

1. 根据新元素类型，扩展整数集合底层数组的大小，并为新元素分配空间。
2. 将底层数组现有的所有元素都转成与新元素相同类型的元素，并将转换后的元素放到正确的位置，放置过程中，维持整个元素顺序都是有序的。
3. 将新元素添加到整数集合中（保证有序）。

升级能极大地节省内存。

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。

按照从小到大的顺序排列，并且不包含任何重复项。

length 属性记录了 contents 数组的大小。

需要注意的是虽然 contents 数组声明为 int8_t 类型，但是实际上contents 数组并不保存任何 int8_t 类型的值，其真正类型有 encoding 来决定。

skiplist：

跳跃表（skiplist）是一种有序数据结构，它通过在每个节点中维持多个指向其它节点的指针，从而达到快速访问节点的目的。具有如下性质：

1. 由很多层结构组成；
2. 每一层都是一个有序的链表，排列顺序为由高层到底层，都至少包含两个链表节点，分别是前面的head节点和后面的nil节点；
3. 最底层的链表包含了所有的元素；
4. 如果一个元素出现在某一层的链表中，那么在该层之下的链表也全都会出现（上一层的元素是当前层的元素的子集）；
5. 链表中的每个节点都包含两个指针，一个指向同一层的下一个链表节点，另一个指向下一层的同一个链表节点；