redis 5.0.7 源码阅读——压缩列表ziplist
redis中压缩列表ziplist相关的文件为：ziplist.h与ziplist.c
压缩列表是redis专门开发出来为了节约内存的内存编码数据结构。源码中关于压缩列表介绍的注释也写得比较详细。
一、数据结构
压缩列表的整体结构如下（借用redis源码注释）：
/*
<zlbytes> <zltail> <zllen> <entry> <entry> ... <entry> <zlend>
*/
各个部分的含义：
| 项 | 类型 | 长度 | 用途 |
| zlbytes | uint32_t | 4B | ziplist总字节数，包括zlbytes |
| zltail | uint32_t | 4B | 最后一个entry的偏移量 |
| zllen | uint16_t | 2B | entry数量 |
| zlend | uint8_t | 1B | ziplist固定结尾，值固定为0xFF |
| entry | 不定 | 不定 | ziplist的各节点，具体结构不定 |
关于entry，借用redis源码注释的结构改造一下：
/*
<prevlen> <encoding> [<entry-data>]
*/
prevlen表示的是前一个entry的长度，用于反向遍历，即从最后一个元素遍历到第一个元素。因每个entry的长度是不确定的，所以要记录一下前一个entry的长度。prevlen本身的长度也是不定的，与前一entry的实际长度有关。若长度小于254，只需要1B就可以了。若实际长度大于等于254，则需要5B，第1B固定为254，后面4B存储实际长度。
encoding则与entry存储的data有关。
| encoding前两位 | encoding内容 | encoding长度 | entry-data类型 | entry-data长度 |
| 00 | |00pppppp| | 1B | string | 6b能表示的数字，0~63，encoding中存储的长度为大端字节序 |
| 01 | |01pppppp|qqqqqqqq| | 2B | string | 14b能表示的数字，64~16383，encoding中存储的长度为大端字节序 |
| 10 | |10000000|qqqqqqqq|rrrrrrrr|ssssssss|tttttttt| | 5B | string | int32能表示的数字，16384~2^32-1，encoding中存储的长度为大端字节序 |
| 11 | |11000000| | 1B | int16 | 2B |
| 11 | |11010000| | 1B | int32 | 4B |
| 11 | |11100000| | 1B | int64 | 8B |
| 11 | |11110000| | 1B | int24 | 3B |
| 11 | |11111110| | 1B | int8 | 1B |
| 11 | |1111xxxx| | 1B | 无 | xxxx在[0001,1101]之间，表示0~12的数字，存储时进行+1操作 |
| 11 | |11111111| | 1B | 无 | End of ziplist special entry(源码注释） |
如一个具体的ziplist，有两个成员“2”与“5”：
/*
[0f 00 00 00] [0c 00 00 00] [02 00] [00 f3] [02 f6] [ff]
| | | | | |
zlbytes zltail zllen "2" "5" end
*/
zlbytes值为15，表示这个ziplist总长为15B
zltail的值为12，表示最后一个entry的偏移量为12
zllen的值为2，表示一共有两个entry
第一个entry的prevlen为0。因为第一个成员之前没有其它成员了，所以是0，占1B。值为“2”，可以用数字表示，且是介于[0,12]之间，故使用1111xxxx的encoding方式，无entry-data。2的二进制编码为0010，+1后为0011，实际为11110011，即0xF3。同理，5的encoding为0xF6。做为第二个entry，其前一个entry的总长为2，故其prevlen值为2。
zlend固定是0xFF。
二、基本操作
redis中使用了大量的宏定义与函数配合操作ziplist。
1、创建
#define ZIPLIST_HEADER_SIZE (sizeof(uint32_t)*2+sizeof(uint16_t))
#define ZIPLIST_END_SIZE (sizeof(uint8_t))
#define ZIPLIST_BYTES(zl) (*((uint32_t*)(zl)))
#define ZIPLIST_TAIL_OFFSET(zl) (*((uint32_t*)((zl)+sizeof(uint32_t))))
#define ZIPLIST_LENGTH(zl) (*((uint16_t*)((zl)+sizeof(uint32_t)*2)))
#define ZIP_END 255 unsigned char *ziplistNew(void) {
unsigned int bytes = ZIPLIST_HEADER_SIZE+ZIPLIST_END_SIZE;
unsigned char *zl = zmalloc(bytes);
ZIPLIST_BYTES(zl) = intrev32ifbe(bytes);
ZIPLIST_TAIL_OFFSET(zl) = intrev32ifbe(ZIPLIST_HEADER_SIZE);
ZIPLIST_LENGTH(zl) = ;
zl[bytes-] = ZIP_END;
return zl;
}
新创建的ziplist，没有entry，只有zlbytes、zltail、zllen与zlend：
/*
[0b 00 00 00] [0a 00 00 00] [00 00] [ff]
| | | |
zlbytes zltail zllen end
*/
2、插入
假设有以下ziplist：
/*
[0f 00 00 00] [0c 00 00 00] [02 00] [00 f3] [02 f6] [ff]
| | | | | |
zlbytes zltail zllen "2" "5" end
*/
要在"2"与"5"之间插入节点“3”，则：
a.获取所要插入位置当前节点“5”的prevlen=2，prevlen_size=1
若要插入的位置是end处，则取出zltail进行偏移，取到“5”节点，直接进行计算。而如果当前是个空ziplist，直接就是0了。
b.获取节点“3”的实际长度，若其为纯数字，则可以使用数字存储，节约内存。否则直接使用外部传入的，string的长度。
这里有一点：
int zipTryEncoding(unsigned char *entry, unsigned int entrylen, long long *v, unsigned char *encoding) {
long long value;
if (entrylen >= || entrylen == ) return ;
if (string2ll((char*)entry,entrylen,&value)) {
/* Great, the string can be encoded. Check what's the smallest
* of our encoding types that can hold this value. */
if (value >= && value <= ) {
*encoding = ZIP_INT_IMM_MIN+value;
} else if (value >= INT8_MIN && value <= INT8_MAX) {
*encoding = ZIP_INT_8B;
} else if (value >= INT16_MIN && value <= INT16_MAX) {
*encoding = ZIP_INT_16B;
} else if (value >= INT24_MIN && value <= INT24_MAX) {
*encoding = ZIP_INT_24B;
} else if (value >= INT32_MIN && value <= INT32_MAX) {
*encoding = ZIP_INT_32B;
} else {
*encoding = ZIP_INT_64B;
}
*v = value;
return ;
}
return ;
}
在尝试使用数字编码的时候，如果len >= 32，则直接不尝试，并不清楚这个32是怎么来的。
本例中，“3”可以直接使用数字编码，且在[0,12]之间，故没有entry-data
c.获得本entry的总长度，即prevlen、encoding、entry-data长度和。本处为1+1=2
d.判断一下插入后，后一个entry的prevlen是否足够存储新entry的长度。新长度为2，原entry的prevlen只有1B，足够。
此处需要注意，如果原本是5B的prevlen，当前1B就足够存储，则不做任何处理，强制使用5B来存储1B能存储的数字。而如果原来是1B，当前要5B，则还需要4B空间。
e.重新分配ziplist空间。新增加的字节数，为c、d两步之和。此处只需要额外2B的空间。
分配空间后：
/*
[11 00 00 00] [0c 00 00 00] [02 00] [00 f3] [02 f6] [ff] [00 ff]
| | | | | |
zlbytes zltail zllen "2" "5" end
*/
重新分配空间会自动设置zlend与zlbytes
f.将“5”及之后的节点（不包括zlend）往后移：
/*
[11 00 00 00] [0c 00 00 00] [02 00] [00 f3] [02 f6] [02 f6] [ff]
| | | | | |
zlbytes zltail zllen "2" "5" "5"
*/
g.修正当前“5”所在位置的prevlen=2：
/*
[11 00 00 00] [0c 00 00 00] [02 00] [00 f3] [02 f6] [02 f6] [ff]
| | | | | |
zlbytes zltail zllen "2" "5" "5"
*/
h.修改zltail：
/*
[11 00 00 00] [0e 00 00 00] [02 00] [00 f3] [02 f6] [02 f6] [ff]
| | | | | |
zlbytes zltail zllen "2" "5" "5"
*/
i.填写新entry：
/*
[11 00 00 00] [0e 00 00 00] [02 00] [00 f3] [02 f4] [02 f6] [ff]
| | | | | |
zlbytes zltail zllen "2" "3" "5"
*/
j.更新zllen：
/*
[11 00 00 00] [0e 00 00 00] [03 00] [00 f3] [02 f4] [02 f6] [ff]
| | | | | |
zlbytes zltail zllen "2" "3" "5"
*/
若在此基础上，在“3”前，插入的是一个长度为256的string X，则：
a.获取“3”的prevlen与prevlen_size
prevlen=2，prevlen_size=1
b.长度大于32，使用string进行存储，实际长度data_len=256
c.获取entry总长度
此处prevlen长度为1B，encoding长度为2B ，entry-data长度为256B，共1+2+256=259
d.判断一下插入后，后一个entry的prevlen是否足够存储新entry的长度。新长度为259，超过了254，需要5B，而原本只有1B，还差了4B。即，nextdiff=4
e.分配空间。新增加字节数为259+4=263，共280B，即0x118
分配空间后：
/*
[0x118] [0xe] [03 00] [00 f3] [02 f4] [02 f6] [...] [ff]
| | | | | | |
zlbytes zltail zllen "2" "3" "5" 263B
4B 4B
*/
f.memmove操作
ziplist中的memmove操作：
memmove(p+reqlen,p-nextdiff,curlen-offset-+nextdiff);
操作完之后：
/*
[...] [00 f3] [02 f4] [02 f6] [...] [03 00] [00 f3] [02 f4] [02 f6] [ff]
| | | | | | | |
header "2" "3" "5" 255B "2" "3" "5"
10B
*/
其中header为zlbytes、zltail与tllen
其实与以下写法相同效果：
memmove(p+reqlen+nextdiff,p,curlen-offset-+nextdiff);
这种写法操作完之后：
/*
[0x118] [0xe] [03 00] [00 f3] [02 f4] [02 f6] [...] [02 f4] [02 f6] [ff]
| | | | | | | | |
zlbytes zltail zllen "2" "3" "5" 259B "3" "5"
4B 4B
*/
目的是一样的，把原来的节点移至正确的位置上。
g.修正当前“3”所在位置的prevlen=259，即0X103：
/*
[0x118] [0xe] [03 00] [00 f3] [...] [FE 03 01 00 00 f4] [02 f6] [ff]
| | | | | | |
zlbytes zltail zllen "2" 259B "3" "5"
4B 4B
*/
h.此时节点"3"的长度发生变化，需要更新其后一个节点"5"的prevlen：
/*
[0x118] [0xe] [03 00] [00 f3] [...] [FE 03 01 00 00 f4] [06 f6] [ff]
| | | | | | |
zlbytes zltail zllen "2" 259B "3" "5"
4B 4B
*/
i.修改zltail：
/*
[0x118] [0x115] [03 00] [00 f3] [...] [FE 00 00 01 03 f4] [06 f6] [ff]
| | | | | | |
zlbytes zltail zllen "2" 259B "3" "5"
4B 4B
*/
j.填写新entry：
encoding值为：01000001 00000000 即0x4100，大端字节序
填写后：
/*
[0x118] [0x115] [03 00] [00 f3] [02 41 00 ...] [FE 00 00 01 03 f4] [06 f6] [ff]
| | | | | | |
zlbytes zltail zllen "2" X "3" "5"
4B 4B 259B
*/
k.更新zllen：
/*
[0x118] [0x115] [04 00] [00 f3] [02 41 00 ...] [FE 00 00 01 03 f4] [06 f6] [ff]
| | | | | | |
zlbytes zltail zllen "2" X "3" "5"
4B 4B 259B
*/
若有连续几个entry的长度在[250,253]B之间，在插入新节点后可能存在连锁更新的情况。
如以下ziplist（只保留部分entry，其余节点省略）：
/*
... [FD 40 FA ...] [FD 40 FA ...] ...
| |
E1 253B E2 253B
*/
E1的prevlen为FD，即长度为253。此时在E1之前插入一个长度为256的节点，E1需要增加prevlen的长度，从而导致E1整体长度增加。
E2的prevlen为FD，即E1的长度为253。增加4个节点之后为257，E2也需要增加prevlen的长度。
之后还可能会有E3，E4等entry需要处理，产生了连锁反应，直到到了以下情况才会停止：
i.到了zlend
ii.不需要继续扩展
iii.需要减少prevlen字节数时
连锁更新时需要多次重新分配空间，最坏情况下有n个节点的ziplist，需要分配n次空间，而每次分配的最坏情况时间复杂度为O(n)，故连锁更新的最坏情况时间复杂度为O(n^2)。
3、查找
ziplist的查找过程其实是一次遍历，依次解析出prevlen、encoding与entry-data，然后根据encoding类型，决定是要用strcmp，还是直接使用数字的比较。在首次进行数字比较的时候，会把传入要查找的串，尝试一次转换成数字的操作。如果无法转换，就会跳过数字比较操作。
查找操作支持每隔几个entry才做一次比较操作。如，查找每5个entry中，值为“1”的entry。
4、删除
如有以下ziplist：
/*
[0x118] [0x115] [04 00] [00 f3] [02 41 00 ...] [FE 00 00 01 03 f4] [06 f6] [ff]
| | | | | | |
zlbytes zltail zllen "2" X "3" "5"
4B 4B 259B
*/
删除的是节点“5”，因是最后一个节点，则只要先修改zltail：
/*
[0x118] [0x10F] [04 00] [00 f3] [02 41 00 ...] [FE 00 00 01 03 f4] [06 f6] [ff]
| | | | | | |
zlbytes zltail zllen "2" X "3" "5"
4B 4B 259B
*/
然后resize：
/*
[0x116] [0x10F] [04 00] [00 f3] [02 41 00 ...] [FE 00 00 01 03 f4] [ff]
| | | | | |
zlbytes zltail zllen "2" X "3"
4B 4B 259B
*/
最后修改zllen即可：
/*
[0x116] [0x10F] [03 00] [00 f3] [02 41 00 ...] [FE 00 00 01 03 f4] [ff]
| | | | | |
zlbytes zltail zllen "2" X "3"
4B 4B 259B
*/
如果是这个ziplist：
/*
[0x118] [0x115] [04 00] [00 41 00 ...] [FE 00 00 01 03 f4] [06 f3] [02 f6] [ff]
| | | | | | |
zlbytes zltail zllen X "3" "2" "5"
4B 4B 259B
*/
如果删除是的节点"3"，则先要计算删除后，"3"节点后的"2"节点的prevlen长度是否足够，然后直接写入。此时长度不够，并不会直接重新分配空间，而是直接使用之前"3"节的最后4B空间：
/*
[0x118] [0x115] [04 00] [00 41 00 ...] [FE 00] [FE 00 00 01 03 f3] [02 f6] [ff]
| | | | | | |
zlbytes zltail zllen X 2B "2" "5"
4B 4B 259B
*/
然后修改zltail：
/*
[0x118] [0x113] [04 00] [00 41 00 ...] [FE 00] [FE 00 00 01 03 f3] [02 f6] [ff]
| | | | | | |
zlbytes zltail zllen X 2B "2" "5"
4B 4B 259B
*/
接着进行memmove操作：
/*
[0x118] [0x113] [04 00] [00 41 00 ...] [FE 00 00 01 03 f3] [02 f6] [02 f6] [ff]
| | | | | | |
zlbytes zltail zllen X "2" "5" "5"
4B 4B 259B
*/
resize操作：
/*
[0x116] [0x113] [04 00] [00 41 00 ...] [FE 00 00 01 03 f3] [02 f6] [ff]
| | | | | |
zlbytes zltail zllen X "2" "5"
4B 4B 259B
*/
最后要更新节点"2"及其之后entry的prevlen：
/*
[0x116] [0x113] [04 00] [00 41 00 ...] [FE 00 00 01 03 f3] [06 f6] [ff]
| | | | | |
zlbytes zltail zllen X "2" "5"
4B 4B 259B
*/
注意此时更新也是有可能产生连锁反应。
删除操作支持删除从指定位置开始，连续n个entry，操作类似。
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