蜻蜓点水说说Redis的String的奥秘

本篇博客参考：掘金Redis小册 敖丙

如果面试官问你，单线程的Redis为什么那么快，你可能脱口而出，因为单线程，避免上下文切换；因为基于内存，比硬盘读写快很多；因为采用的是多路复用网络模型。不管你是否真的理解了，这个回答足以应付一半以上的面试官了，但是如果可以再进行补充就更好了：因为Redis对各种数据结构进行了精心的设计，比如String采用的是SDS，比如list采用的是ziplist，quicklist等等，可能这样的回答就比较出彩了，至少可以说出部分面试者不太清楚的事情。今天我们就来看看Redis中最常用的String数据结构的奥秘。

从位操作说起

bitmap的应用场景很多，比如大名鼎鼎的布隆过滤器（之前的博客有介绍过：《大白话布隆过滤器》），比如统计指定用户在一年内任意日期内的登录情况，统计任意日期内，所有用户的登录情况等等，都可以用bitmap来实现（之前的博客也有介绍过：《有点长的博客：Redis不是只有get set那么简单》），所以好好看看bitmap还是很有必要的，不过本篇博客不打算详细介绍bitmap，只是通过bitmap引出我们今天的话题，而bitmap的核心就是位操作。

如果我们要往Redis塞入一个value为“hello”的key，这个所有人都会：

test:1>set key hello
"OK"
test:1>get key
"hello"

如果我们要利用位操作实现这个需求呢？什么，我没听错把，位操作也可以实现这个需求吗？当然可以，因为在redis中，String就是用byte数组来存储的。

什么，你不信？那请继续看下去。

要用位操作实现这个需求，我们要获得“hello”的ascii码，接着计算出二进制：

比如，“h”的ascii码是104，二进制是1101000：

"e"的ascii码是65，二进制是101，二进制是1100101：

然后形成如下的位图：

下面就需要利用位操作来进行设置：

test:1>setbit s 1 1
"0"
test:1>setbit s 2 1
"0"
test:1>setbit s 4 1
"0"
test:1>setbit s 10 1
"0"
test:1>setbit s 13 1
"0"
test:1>setbit s 9 1
"0"
test:1>setbit s 15 1
"0"

setbit的顺序可以随意调整，只要最终得到的位图是如上形式的就OK了。（我这里就调整了下seitbit的顺序，好吧，我承认其实我是打错了，又懒得再去打一遍，反正最终形成的位图是一样的）。

然后我们get一下：

test:1>get s
"he"

很神奇，有木有，这也说明了在redis的底层，String就是一个数组，而且还是一个byte[]。

SDS

不管在什么编程语言、存储引擎中，String都是应用最广泛的，而在不同的编程语言、存储引擎中，String可能有不同的实现，在Redis中，String的底层就是SDS，它的全称是Simple Dynamic String。

Redis是C语言开发的，Redis为什么不直接利用C语言的字符串，而要“别出心裁”的自己构建SDS数据结构来实现字符串呢？

我们先来这个SDS是个什么鬼：

struct sdshdr {
    int len;
    int free;
    char buf[];
};

SDS的定义比较简单，只有3个字段，而且从字面上就可以看出是什么意思：

• len：存储字符串的实际长度
• free：存储剩余（空闲）的空间
• buf[]：存储实际数据

下面我们就来看下SDS和C语言的字符串有什么区别：

• 求字符串长度
  
  在C语言中，求字符串的长度只能遍历，时间复杂度是o(n)，单线程的redis表示鸭梨山大，但是现在引入了一个字段来存储字符串的实际长度，时间复杂度瞬间降低成了o(1)。
• 二进制安全
  
  在C语言中，读取字符串遵循的是“遇零则止”，即，读取字符串，当读取到“\0”，就认为已经读到了结尾，哪怕后面还有字符串也不会读取了，像图片、音频等二进制数据，经常会穿插“\0”在其中，好端端的图片、音频就毁了...但是现在有了一个字段来存储字符串的实际长度，读取字符串的时候，先看下这个字符串的长度是多少，然后往后读多少位就可以了。
• 缓冲区溢出
  
  字符串拼接是开发中常见的操作，C语言的字符串是不记录字符串长度的，一旦我们调用了拼接函数，而没有提前计算好内存，就会产生缓冲区溢出的情况，但是现在引入了free字段，来记录剩余的空间，做拼接操作之前，先去看下还有多少剩余空间，如果够，那就放心的做拼接操作，不够，就进行扩容。
• 减少内存重分配次数

1. 空间预分配：当对字符串进行拼接操作的时候，Redis会很贴心的分配一定的剩余空间，这块剩余空间现在看起来是有点浪费，但是我们如果继续拼接，这块剩余空间的作用就出来了。
2. 惰性空间释放：当我们做了字符串缩减的操作，Redis并不会马上回收空间，因为你可能即将又要做字符串的拼接操作，如果你再次操作，还是没有用到这部分空间，Redis也会去回收这部分空间。

扩容策略

字符串小于1M，采用的是加倍扩容的策略，也就是多分配100%的剩余空间，当大于1M，每次扩容，只会多分配1M的剩余空间。

最大长度

Redis 规定字符串的长度不得超过 512M 字节。

embstr raw

Redis的字符串有两种存储方式，一种是embstr，一种是raw，当长度<=44，采用embstr 来存储：

set codebear abcdefghijklmnopqrstuvwxyz012345678912345678
"OK"
debug object codebear
"Value at:0x7f4050476880 refcount:1 encoding:embstr serializedlength:45 lru:1999016 lru_seconds_idle:36"

当长度>44，改用raw来存储：

set codebear abcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789123456781
"OK"
debug object codebear
"Value at:0x7f404ac30100 refcount:1 encoding:raw serializedlength:46 lru:1999188 lru_seconds_idle:3"

网上也有一些博客说是以39为分界线，为什么会有两种答案呢？继续看下去就明白了。

我们先来看看Redis的对象头，查看：

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

Redis对象头占 4bit+4bit+24bit+4byte+8byte(指针，在64 bit system下，占8byte)=32bit+12byte=4byte+12byte=16byte。

再来看看这两种存储形式有什么区别：



embstr的存储形式比较紧凑，Redis的对象头和SDS对象存在一起（连续）。

一般来说，在raw的存储形式下，Redis的对象头和SDS对象不存在一起（不连续）。

我们可以简单的理解为，一块内存的大小为64byte。

好了，前置内容介绍完毕了，我们来看看Redis3.0版本的SDS的定义，查看：

struct sdshdr {
    unsigned int len;
    unsigned int free;
    char buf[];
};

Redis对象头占了16byte，SDS对象的len和free又占了8byte，64-16-8=40，同时保存的字符串会以\0结尾，又占用了1byte，所以实际存储的字符串只能<=39位，所以在低版本的Redis下，embstr、raw的分界线为39。

再来看看Redis5.0版本的SDS的定义，查看：



可以看到变化很大，为什么要做那么大的改变？更节省内存，当字符串长度比较小的时候，会用

sdshdr8来存储，len和alloc共占用2byte，flags占用1byte，\0结尾占用1byte，一共是4byte，64byte-16byte（对象头）-4byte=44byte，所以在高版本的Redis下，embstr、raw的分界线为44。

怎么样，没想到吧，我们Redis经常使用的String竟然牵扯到那么多东西，而这些东西就可以区分平庸开发和优秀开发，成为一个优秀的开发，要学习的东西还有很多很多。