Redis原理再学习02:数据结构-动态字符串sds
Redis原理再学习:动态字符串sds
字符
字符就是英文里的一个一个英文字母,比如:a。中文里的单个汉字,比如:好。
字符串就是多个字母或多个汉字组成,比如字符串:redis,中文字符串:你好吗。
英文字符,如果按照 ASCII 码计算,一个字符占用 1 个字节。
中文字符的编码就比较复杂点,一个字符占用空间一般是 2 个字节,有的也用 3-4 个字节。
它有很多格式编码,有 gb2312,gbk, utf8 等等。
具体可以看看这篇文章:常见的中文字符编码。
动态字符串sds定义
看看 redis3.0 中的字符数据结构定义,sds.h/sdshdr
// https://github.com/redis/redis/blob/3.0/src/sds.h#L41
// redis3.0 低版本容易理解
// sds 兼容 C 语言风格字符串,并且还可以存到 sdshdr 结构的 buf 里
typedef char *sds;
struct sdshdr {
unsigned int len;
unsigned int free;
char buf[];
};
len:记录 buf 数组中字符的长度
free:记录 buf 中未使用的字节的数量
buf:字节数组,保存字符串
不过到了 redis3.2 后,进一步优化了 SDS 的数据结构:
// https://github.com/redis/redis/blob/3.2/src/sds.h#L42
typedef char *sds;
/* Note: sdshdr5 is never used, we just access the flags byte directly.
* However is here to document the layout of type 5 SDS strings. */
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr5 { // 对应的字符串长度小于 1<<5
unsigned char flags;/* 3 lsb of type, and 5 msb of string length */
char buf[];
};
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr8 { // 对应的字符串长度小于 1<<8
uint8_t len; // 已使用长度,1 字节/* used */
uint8_t alloc; /* excluding the header and null terminator */// 总长度
unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits */
char buf[]; // 保存字符串
};
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr16 { // 对应的字符串长度小于 1<<16
uint16_t len; // 已使用长度,2 字节
uint16_t alloc;
unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits */
char buf[];
};
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr32 { // 对应的字符串长度小于 1<<32
uint32_t len; // 已使用长度,4 字节
uint32_t alloc;
unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits */
char buf[];
};
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr64 { // 对应的字符串长度小于 1<<64
uint64_t len; // 已使用长度,8 字节
uint64_t alloc;
unsigned char flags;
char buf[];
};
针对不同长度的字符串,申请相应的数据存储类型,从而有效的节约了内存使用,进一步优化存储。进一步压榨 redis 的性能。
sdshdr为什么要这样设计
C 语言中的字符数组难道不够用吗?(redis3.0)
对于普通的字符串操作,C 语言中的字符数组是够用的。但是,redis 定位是高性能 kv 数据库,所以对于 redis 是不够用的。
从哪些方面优化才能扣出一点点性能呢?
空间换时间:一次多分配一些空间,下次增加字符串时不需要在进行分配空间的操作了。这个叫预分配。
还有,截断字符串时,也不需要归还空间,而是用 free 属性记录,下次可以在复用空间,这个叫惰性空间释放。
获取字符串长度复杂度 O(1):sdshdr 里面定义了一个属性 len,操作字符串时会自动计算字符串的长度并赋值给这个 len 属性。所以在 redis 的一些命令中,不需要在计算一次字符串长度,而计算这个长度复杂度是 O(N)。比如 strlen 命令。
除了上面的 2 点,还有哪些好处?
- 避免缓存区溢出:因为 SDS 的空间分配策略杜绝了发生缓冲区溢出的可能性。因为 SDS 的 API 会先检查空间是否满足修改所需的要求,不满足的话会自动扩展修改所需的空间大小。
- 二进制安全:得益于 sds api 的设计,所有 sds api 都会以处理二进制的方式处理 sds 存放在 buf 数组里的数据,判断字符串是否到达结尾,不是以C语言里的
\0
来判断,而是用 sdshdr 结构里的 len 属性。这就避免了字符串中间遇到\0
而发生错误判断。
SDS内存怎么分配
其实上面我们也有提到,一种是预分配,一种是惰性分配(惰性释放)。
1. 预分配
空间预分配用于优化sds字符串增长的操作:
- 如果对 sds 进行修改时,sds 的 len < 1MB,那么会分配和 len 长度相同的未使用空间,未使用空间长度记录到 free。
- 如果对 sds 进行修改时,sds 的 len > 1MB,那么分配 1MB 的未使用空间,记录到 free。
通过这种预分配策略,减少 Redis 执行字符串增长操作时,所需内存重新分配的次数,提高 redis 的效率。
空间预分配代码 sds.c/sdsMakeRoomFor:
// https://github.com/redis/redis/blob/3.0/src/sds.c#L129
/* Enlarge the free space at the end of the sds string so that the caller
* is sure that after calling this function can overwrite up to addlen
* bytes after the end of the string, plus one more byte for nul term.
*
* Note: this does not change the *length* of the sds string as returned
* by sdslen(), but only the free buffer space we have. */
sds sdsMakeRoomFor(sds s, size_t addlen) {
struct sdshdr *sh, *newsh;
size_t free = sdsavail(s); // 获取未使用空间free值
size_t len, newlen;
if (free >= addlen) return s; // free 如果够用直接返回
len = sdslen(s);
sh = (void*) (s-(sizeof(struct sdshdr)));
newlen = (len+addlen); // 扩展后的新长度
// #define SDS_MAX_PREALLOC (1024*1024)
if (newlen < SDS_MAX_PREALLOC) // 新长度小于定义的最大预分配长度(1MB),那么把新长度直接扩大2倍
newlen *= 2;
else
newlen += SDS_MAX_PREALLOC;// 新长度大于定义的最大预分配长度(1MB),那么 newlen+1MB
newsh = zrealloc(sh, sizeof(struct sdshdr)+newlen+1); // 获取新空间的地址
if (newsh == NULL) return NULL;
newsh->free = newlen - len; // 更新未使用空间 free
return newsh->buf;
}
// https://github.com/redis/redis/blob/3.0/src/sds.h#L52
// 获取 sds 未使用空间长度,free
static inline size_t sdsavail(const sds s) {
struct sdshdr *sh = (void*)(s-(sizeof(struct sdshdr)));
return sh->free;
}
// https://github.com/redis/redis/blob/3.0/src/sds.h#L47
// 获取 sds 中实际字符串长度,len
static inline size_t sdslen(const sds s) {
struct sdshdr *sh = (void*)(s-(sizeof(struct sdshdr)));
return sh->len;
}
// https://github.com/redis/redis/blob/3.0/src/sds.h#L34
#define SDS_MAX_PREALLOC (1024*1024)
2.惰性分配(惰性释放)
惰性分配,就是惰性空间释放,用于对优化sds的字符串缩减操作。
- 如果 sds 保存的字符串缩减时,sds api 并不会直接回收内存,而是用 free 属性成员将不用内存字节大小记录下来,等待将来使用。
这样就优化了对内存的操作。
代码 sds.c/sdsclear:
/* Modify an sds string in-place to make it empty (zero length).
* However all the existing buffer is not discarded but set as free space
* so that next append operations will not require allocations up to the
* number of bytes previously available. */
// https://github.com/redis/redis/blob/3.0/src/sds.c#L112
void sdsclear(sds s) {
struct sdshdr *sh = (void*) (s-(sizeof(struct sdshdr)));
sh->free += sh->len; // 新的free = 新的free + 使用空间len
sh->len = 0; // 已使用空间置为 0
sh->buf[0] = '\0'; // 字符串置为空
}
sdshdr存储字符串示例
比如 sdshdr 存储一个字符串 Redis,如下图:
(《Redis设计与实现》)
存储 Redis 字符串时 sdshdr 各属性解释:
free:值为 0,表示 sdshdr 中没有未使用的空间
len:值为 5,表示 sdshdr 保存了一个 5 字节长度的字符串
buf:char 类型的数组,数组前 5 个字节保存了 R, e, d, i, s 五个字符,结尾保存了空字符 '\0'。这个遵循了 c 语言中空字符串结尾惯例。保存这个空字符串的 1 字节长度不计算在 sdshdr 的 len 属性里。
参考
- 《redis设计与实现》 作者:黄健宏
- redis.io
- github redis
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