如果面試官問你，單線程的Redis為什么那么快，你可能脫口而出，因為單線程，避免上下文切換；因為基於內存，比硬盤讀寫快很多；因為采用的是多路復用網絡模型。不管你是否真的理解了，這個回答足以應付一半以上的面試官了，但是如果可以再進行補充就更好了：因為Redis對各種數據結構進行了精心的設計，比如String采用的是SDS，比如list采用的是ziplist，quicklist等等，可能這樣的回答就比較出彩了，至少可以說出部分面試者不太清楚的事情。今天我們就來看看Redis中最常用的String數據結構的奧秘。
從位操作說起
bitmap的應用場景很多，比如大名鼎鼎的布隆過濾器（之前的博客有介紹過：《大白話布隆過濾器》），比如統計指定用戶在一年內任意日期內的登錄情況，統計任意日期內，所有用戶的登錄情況等等，都可以用bitmap來實現（之前的博客也有介紹過：《有點長的博客：Redis不是只有get set那么簡單》），所以好好看看bitmap還是很有必要的，不過本篇博客不打算詳細介紹bitmap，只是通過bitmap引出我們今天的話題，而bitmap的核心就是位操作。
如果我們要往Redis塞入一個value為“hello”的key，這個所有人都會：
test:1>set key hello
"OK"
test:1>get key
"hello"
如果我們要利用位操作實現這個需求呢？什么，我沒聽錯把，位操作也可以實現這個需求嗎？當然可以，因為在Redis中，String就是用byte數組來存儲的。
什么，你不信？那請繼續看下去。
要用位操作實現這個需求，我們要獲得“hello”的ascii碼，接着計算出二進制：
比如，“h”的ascii碼是104，二進制是1101000：
"e"的ascii碼是65，二進制是101，二進制是1100101：
然后形成如下的位圖：
下面就需要利用位操作來進行設置：
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的順序可以隨意調整，只要最終得到的位圖是如上形式的就OK了。（我這里就調整了下seitbit的順序，好吧，我承認其實我是打錯了，又懶得再去打一遍，反正最終形成的位圖是一樣的）。
然后我們get一下：
test:1>get s
"he"
很神奇，有木有，這也說明了在Redis的底層，String就是一個數組。
SDS
不管在什么編程語言、存儲引擎中，String都是應用最廣泛的，而在不同的編程語言、存儲引擎中，String可能有不同的實現，在Redis中，String的底層就是SDS，它的全稱是Simple Dynamic String。
Redis是C語言開發的，C語言是沒有現成的字符串類型的，而是用字符數組來表示字符串，Redis為什么不直接這么做呢，而要“別出心裁”的自己構建SDS數據結構來實現字符串呢？
我們先來這個SDS是個什么鬼：
struct sdshdr {
int len;
int free;
char buf[];
};
SDS的定義比較簡單，只有3個字段，而且從字面上就可以看出是什么意思：
- len：存儲字符串的實際長度
- free：存儲剩余（空閑）的空間
- buf[]：存儲實際數據
我們可以看到，其實SDS結構也包含了字節數組，但是不同的是，新增了兩個字段。
為了方便起見，下面的文章把直接使用字節數組來表示字符串稱為C語言的字符串，但是大家要明白，C語言是沒有現成的字符串類型的。
下面我們來看下SDS和C語言的字符串有什么區別：
- 求字符串長度
C語言的字符串，求字符串的長度只能遍歷，時間復雜度是O(N)，單線程的Redis表示鴨梨山大，但是現在引入了一個字段來存儲字符串的實際長度，時間復雜度瞬間降低成了O(1)。 - 二進制安全
在C語言中，讀取字符串遵循的是“遇零則止”，即，讀取字符串，當讀取到“\0”，就認為已經讀到了結尾，哪怕后面還有字符串也不會讀取了，像圖片、音頻等二進制數據，經常會穿插“\0”在其中，好端端的圖片、音頻就毀了...但是現在有了一個字段來存儲字符串的實際長度，讀取字符串的時候，先看下這個字符串的長度是多少，然后往后讀多少位就可以了。 - 緩沖區溢出
字符串拼接是開發中常見的操作，C語言的字符串是不記錄字符串長度的，一旦我們調用了拼接函數，而沒有提前計算好內存，就會產生緩沖區溢出的情況，但是現在引入了free字段，來記錄剩余的空間，做拼接操作之前，先去看下還有多少剩余空間，如果夠，那就放心的做拼接操作，不夠，就進行擴容。 - 減少內存重分配次數
- 空間預分配：當對字符串進行拼接操作的時候，Redis會很貼心的分配一定的剩余空間，這塊剩余空間現在看起來是有點浪費，但是我們如果繼續拼接，這塊剩余空間的作用就出來了。
- 惰性空間釋放：當我們做了字符串縮減的操作，Redis並不會馬上回收空間，因為你可能即將又要做字符串的拼接操作，如果你再次操作，還是沒有用到這部分空間，Redis也會去回收這部分空間。
擴容策略
字符串小於1M，采用的是加倍擴容的策略，也就是多分配100%的剩余空間，當大於1M，每次擴容，只會多分配1M的剩余空間。
最大長度
Redis 規定字符串的長度不得超過 512M 字節。
embstr raw
Redis的字符串有兩種存儲方式，一種是embstr，一種是raw，當長度<=44，采用embstr 來存儲：
set codebear abcdefghijklmnopqrstuvwxyz012345678912345678
"OK"
debug object codebear
"Value at:0x7f4050476880 refcount:1 encoding:embstr serializedlength:45 lru:1999016 lru_seconds_idle:36"
當長度>44，改用raw來存儲：
set codebear abcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789123456781
"OK"
debug object codebear
"Value at:0x7f404ac30100 refcount:1 encoding:raw serializedlength:46 lru:1999188 lru_seconds_idle:3"
網上也有一些博客說是以39為分界線，為什么會有兩種答案呢？繼續看下去就明白了。
我們先來看看Redis的對象頭，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對象頭占 4bit+4bit+24bit+4byte+8byte(指針，在64 bit system下，占8byte)=32bit+12byte=4byte+12byte=16byte。
再來看看這兩種存儲形式有什么區別：
embstr的存儲形式比較緊湊，Redis的對象頭和SDS對象存在一起（連續）。
一般來說，在raw的存儲形式下，Redis的對象頭和SDS對象不存在一起（不連續）。
我們可以簡單的理解為，一塊內存的大小為64byte。
好了，前置內容介紹完畢了，我們來看看Redis3.0版本的SDS的定義，查看：
struct sdshdr {
unsigned int len;
unsigned int free;
char buf[];
};
Redis對象頭占了16byte，SDS對象的len和free又占了8byte，64-16-8=40，同時保存的字符串會以\0結尾，又占用了1byte，所以實際存儲的字符串只能<=39位，所以在低版本的Redis下，embstr、raw的分界線為39。
再來看看Redis5.0版本的SDS的定義，查看：
可以看到變化很大，為什么要做那么大的改變？更節省內存，當字符串長度比較小的時候，會用
sdshdr8來存儲，len和alloc共占用2byte，flags占用1byte，\0結尾占用1byte，一共是4byte，64byte-16byte（對象頭）-4byte=44byte，所以在高版本的Redis下，embstr、raw的分界線為44。
怎么樣，沒想到吧，我們Redis經常使用的String竟然牽扯到那么多東西，而這些東西就可以區分平庸開發和優秀開發，成為一個優秀的開發，要學習的東西還有很多很多。