redis数据结构和对象一

1. SDS:简单动态字符串（simple dynamic string)

Redis没有直接使用C语言的字符串，而是自己构建了一种名为简单动态字符串类型，并将SDS用作Redis的默认字符串。

SDS的定义

struct sdshdr {
    // buf 中已占用空间的长度
    int len;
    // buf 中剩余可用空间的长度
    int free;
    // 字节数组
    char buf[];
};

SDS与C字符串的区别

1. SDS获取字符串长度复杂度为O(1), C字符串获取字符串长度复杂度为O(N)；
   
   因为C字符串获取字符串并不记录自身长度，程序必须遍历整个字符串对每个字符串计数。这个操作的复杂度为O(N)
   
   SDS在len属性中记录了SDS本身长度，所以获取字符串长度复杂度为O(1)
2. API是安全的，不会造成缓冲区溢出；
   
   C字符串不记录自身长度，如果忘了给字符串扩容执行字符串拼接就会造成溢出
   
   SDS拼接字符串之前会先通过free字段检测剩余空间能否满足需求，不能满足需求的就会扩容。
3. 减少修改字符串带来的内存重分配次数；
   
   C字符串底层总是一个N+1个字符数组，所以每次增长或缩短一个字符串，程序总要对这个C字符串进行一次内存重分配。
   
   SDS实现空间预分配和惰性空间释放两种优化策略.
4. 二进制安全
   
   C字符串只能保存文本数据
   
   SDS可以保存文本或者二进制数据

** 2. 链表 **

Redis的List（列表）和发布订阅，慢查询，监视器等功能都用到了链表

链表节点实现 adlist.h/listNode结构表示

    // listNode 双端链表节点
    typedef struct listNode {
        // 前置节点
        struct listNode *prev;
        // 后置节点
        struct listNode *next;
        // 节点的值
        void *value;
    } listNode;

该链表为双向链表，由多个listNode结点组成的链表结构图如下：

链表实现 adlist.h/list结构表示

    // list 双端链表
    typedef struct list { // 在c语言中,用结构体的方式来模拟对象是一种常见的手法
        // 表头节点
        listNode *head;
        // 表尾节点
        listNode *tail;
        // 节点值复制函数
        void *(*dup)(void *ptr);
        // 节点值释放函数
        void(*free)(void *ptr);
        // 节点值对比函数
        int(*match)(void *ptr, void *key);
        // 链表所包含的节点数量
        unsigned long len;
    } list;

例：由一个list结构和三个listNode结构组成的链表
![](https://img2020.cnblogs.com/blog/1186190/202102/1186190-20210227163531303-2083424534.jpg)
链表提供表头指针head，表尾指针tail，以及链表长度计数器len，和封装了3个内置函数
1.dup函数：复制链表结点所保存的值
2.free函数：释放链表结点所保存的值
3.match函数：对比链表结点所保存的值和另一个输入值是否相等
这三个函数是用于实现多态链表所需的类型特定函数。

Redis链表实现特征总结

1.双端：获取某个结点的前驱和后继结点都是O(1)

2.无环：表头的prev指针和表尾的next指针都指向NULL，对链表的访问都是以NULL为终点

3.带表头指针和表尾指针：获取表头和表尾的复杂度都是O(1)

4.带链表长度计数器：len属性记录，获取链表长度O(1)

5.多态：链表结点使用void*指针来保存结点的值，并且可以通过链表结构的三个函数为结点值设置类型特定函数，所以链表可以保存各种不同类型的值

1. 字典

   1. 字典的实现

   哈希节点使用dictEntry结构表示，每个dictEntry结构都保存着一个键值对。

    // dictEntry 哈希表节点
    typedef struct dictEntry {
        // 键
        void *key;
        // 值
        union {//值v的类型可以是以下三种类型
            void *val;
            uint64_t u64;
            int64_t s64;
        } v;
        // 指向下个哈希表节点，形成链表
        struct dictEntry *next;
    } dictEntry;

Redis字典使用哈希表有dictht.h/dictht结构定义

    typedef struct dictht {
        // 哈希表数组, 每个元素都是一条链表
        dictEntry **table;
        // 哈希表大小
        unsigned long size;
        // 哈希表大小掩码，用于计算索引值
        // 总是等于 size - 1
        unsigned long sizemask;
        // 该哈希表已有节点的数量
        unsigned long used;
    } dictht;

![](https://img2020.cnblogs.com/blog/1186190/202102/1186190-20210227171229827-765330912.png)

    // dict 字典
    typedef struct dict {
        // 类型特定函数
        dictType *type; // type里面主要记录了一系列的函数,可以说是规定了一系列的接口
        // 私有数据
        void *privdata; // privdata保存了需要传递给那些类型特定函数的可选参数
        //两张哈希表
        dictht ht[2];//便于渐进式rehash
        //rehash 索引，并没有rehash时，值为 -1
        int rehashidx;
        //目前正在运行的安全迭代器的数量
        int iterators;
    } dict;

* type 属性是一个指向dictType结构的指针，每个dictType结构保存了一族用于操作特定类型键值对的函数，Redis为用途不同的字典设置不同的类型特定函数。
* privdata 属性则保存了需要传递给那些类型特定函数的可选参数。
* ht是一个包含两个项的数组，数组每个项都是一个dictht哈希表，一般情况下只使用ht[0]哈希表，ht[1]只会对ht[0]哈希表进行rehash时使用。
* rehashidx它记录了rehash目前的进度，如果目前没有进行rehash，那么他的值为-1.

    // dictType 用于操作字典类型函数
    typedef struct dictType {
        // 计算哈希值的函数
        unsigned int(*hashFunction)(const void *key);
        // 复制键的函数
        void *(*keyDup)(void *privdata, const void *key);
        // 复制值的函数
        void *(*valDup)(void *privdata, const void *obj);
        // 对比键的函数
        int(*keyCompare)(void *privdata, const void *key1, const void *key2);
        // 销毁键的函数
        void(*keyDestructor)(void *privdata, void *key);
        // 销毁值的函数
        void(*valDestructor)(void *privdata, void *obj);
    } dictType;

![](https://img2020.cnblogs.com/blog/1186190/202102/1186190-20210227171242872-913327145.png)

1. 哈希算法
   
   使用字典类型设置的哈希函数击视键key的哈希值
   
   int hash = dict->type->hashFunction(key)
   
   使用哈希表的sizemask的属性和哈希值计算出索引值
   
   index = hash & dict->ht[0].sizemask;
   
   使用哈希表节点next指针构成单向链表解决哈希冲突。

2. 扩展和收缩哈希表的恭祝通过执行rehash操作来完成步骤如下
   
   如果执行的是扩展操作，那么扩展ht[1]的大小为第一个大于等于ht[0].used*2的2的n此幂
   
   如果执行的是收缩操作，那么收缩ht[1]的大小为第一个大于等于ht[0].used的2的n此幂
   
   将保存在ht[0]中的所有键值对rehash到ht[1]上面：rehash指的是重新计算键的哈希值和索引值，然后将键值对放置到ht[1]哈希表的指点位置。
   
   当ht[0]包含的所有键值对都迁移到ht[1]之后，释放ht[0]，将ht[1]设置为ht[0]，并在ht[1]重新创建一个空哈希表，为下一次rehash做准备。
   
   当以下条件中的任意一个被满足时，程序会自动开始对哈希表进行扩展操作
   
   1）服务器目前没有执行BGSAVE命令或者BGREWRITEOF命令，并且哈希表的负载因子大于等于1.
   
   2）服务器目前正在执行BGSAVE命令或者BGREWRITEOF命令，并且哈希表的负载因子大于等于5.
   
   3) 哈希表的负载因子可以通过公式：load_factor = ht[0].used / ht[0].size;
   
   4) 哈希表的负载因子小于0.1时，自动执行哈希表收缩操作；

3. 如果哈希表中有成千上万个键值对，那么要一次性rehash到ht[1]的话，可能会导致服务器一段时间内停止服务。为了避免rehash对服务器性能影响，服务器二十分多次，渐进性的将ht[0]里面的键值对渐进性的rehash。详细步骤：
   
   1）为ht[1]分配空间，让字典同时持有ht[0]和ht[1]两个哈希表。
   
   2）在字典中维持一个索引计数器变量rehashidx，并将它的值设置为0，表示rehash工作正式开始。
   
   3) 在rehash进行期间，每次对字典执行添加，删除，查找或者更新操作时，程序除了执行指定的操作外，还会顺带将ht[0]哈希表在rehashidx索引上的所有键值对rehash到ht[1],完成顺带操作后，程序将rehashidx属性的值加一.
   
   4) 随着字典操作的不断执行，最终在某个时间点，ht[0]的所有键值对会被rehash至ht[1]。这是将rehashidx设置为-1.表示rehash操作已执行完。