Redis之壓縮列表ziplist 

 

Redis是基於內存的nosql，有些場景下為了節省內存redis會用“時間”換“空間”。
ziplist就是很典型的例子。

ziplist是list鍵、hash鍵以及zset鍵的底層實現之一（3.0之后list鍵已經不直接用ziplist和linkedlist作為底層實現了，取而代之的是quicklist）
這些鍵的常規底層實現如下：

• list鍵：雙向鏈表
• hash鍵：字典dict
• zset鍵：跳躍表zskiplist

但是當list鍵里包含的元素較少、並且每個元素要么是小整數要么是長度較小的字符串時，redis將會用ziplist作為list鍵的底層實現。同理hash和zset在這種場景下也會使用ziplist。

既然已有底層結構可以實現list、hash、zset鍵，為什么還要用ziplist呢？
當然是為了節省內存空間
我們先來看看ziplist是如何壓縮的

原理

整體布局

ziplist是由一系列特殊編碼的連續內存塊組成的順序存儲結構，類似於數組，ziplist在內存中是連續存儲的，但是不同於數組，為了節省內存 ziplist的每個元素所占的內存大小可以不同（數組中叫元素，ziplist叫節點entry，下文都用“節點”），每個節點可以用來存儲一個整數或者一個字符串。
下圖是ziplist在內存中的布局

 

• zlbytes: ziplist的長度（單位: 字節)，是一個32位無符號整數
• zltail: ziplist最后一個節點的偏移量，反向遍歷ziplist或者pop尾部節點的時候有用。
• zllen: ziplist的節點（entry）個數
• entry: 節點
• zlend: 值為0xFF，用於標記ziplist的結尾

普通數組的遍歷是根據數組里存儲的數據類型 找到下一個元素的，例如int類型的數組訪問下一個元素時每次只需要移動一個sizeof(int)就行（實際上開發者只需讓指針p+1就行，在這里引入sizeof(int)只是為了說明區別）。
上文說了，ziplist的每個節點的長度是可以不一樣的，而我們面對不同長度的節點又不可能直接sizeof(entry)，那么它是怎么訪問下一個節點呢？
ziplist將一些必要的偏移量信息記錄在了每一個節點里，使之能跳到上一個節點或下一個節點。
接下來我們看看節點的布局

節點的布局(entry)

每個節點由三部分組成：prevlength、encoding、data

• prevlengh: 記錄上一個節點的長度，為了方便反向遍歷ziplist
• encoding: 當前節點的編碼規則，下文會詳細說
• data: 當前節點的值，可以是數字或字符串 

為了節省內存，根據上一個節點的長度prevlength 可以將ziplist節點分為兩類：

 

• entry的前8位小於254，則這8位就表示上一個節點的長度
• entry的前8位等於254，則意味着上一個節點的長度無法用8位表示，后面32位才是真實的prevlength。用254 不用255(11111111)作為分界是因為255是zlend的值，它用於判斷ziplist是否到達尾部。

根據當前節點存儲的數據類型及長度，可以將ziplist節點分為9類：
其中整數節點分為6類： 

 整數節點的encoding的長度為8位，其中高2位用來區分整數節點和字符串節點（高2位為11時是整數節點），低6位用來區分整數節點的類型，定義如下:

#define ZIP_INT_16B (0xc0 | 0<<4)//整數data,占16位（2字節）
 
#define ZIP_INT_32B (0xc0 | 1<<4)//整數data,占32位（4字節）
 
#define ZIP_INT_64B (0xc0 | 2<<4)//整數data,占64位（8字節）
 
#define ZIP_INT_24B (0xc0 | 3<<4)//整數data,占24位（3字節）
 
#define ZIP_INT_8B 0xfe //整數data,占8位（1字節）
 
/* 4 bit integer immediate encoding */
 
//整數值1~13的節點沒有data，encoding的低四位用來表示data
 
#define ZIP_INT_IMM_MASK 0x0f
 
#define ZIP_INT_IMM_MIN 0xf1 /* 11110001 */
 
#define ZIP_INT_IMM_MAX 0xfd /* 11111101 */

值得注意的是 最后一種encoding是存儲整數0~12的節點的encoding，它沒有額外的data部分，encoding的高4位表示這個類型，低4位就是它的data。這種類型的節點的encoding大小介於ZIP_INT_24B與ZIP_INT_8B之間（1~13），但是為了表示整數0，取出低四位xxxx之后會將其-1作為實際的data值（0~12）。在函數zipLoadInteger中，我們可以看到這種類型節點的取值方法：

...
 
} else if (encoding >= ZIP_INT_IMM_MIN && encoding <= ZIP_INT_IMM_MAX) {
 
ret = (encoding & ZIP_INT_IMM_MASK)-1;
 
}
 
...

字符串節點分為3類：

• 當data小於63字節時(2^6)，節點存為上圖的第一種類型，高2位為00，低6位表示data的長度。
• 當data小於16383字節時(2^14)，節點存為上圖的第二種類型，高2位為01，后續14位表示data的長度。
• 當data小於4294967296字節時(2^32)，節點存為上圖的第二種類型，高2位為10，下一字節起連續32位表示data的長度。

上圖可以看出：
不同於整數節點encoding永遠是8位，字符串節點的encoding可以有8位、16位、40位三種長度
相同encoding類型的整數節點 data長度是固定的，但是相同encoding類型的字符串節點，data長度取決於encoding后半部分的值。

 
#define ZIP_STR_06B (0 << 6)//字符串data,最多有2^6字節(encoding后半部分的length有6位,length決定data有多少字節)
 
#define ZIP_STR_14B (1 << 6)//字符串data,最多有2^14字節
 
#define ZIP_STR_32B (2 << 6)//字符串data,最多有2^32字節

上文介紹了ziplist節點（entry）的分類，知道了節點可以細分為9種類型，那么當遍歷一個ziplist時，指針到達某個節點時 如何判斷出節點的類型從而找到data呢？

已知節點的位置，求data的值

根據圖2 entry布局 可以看出，若要算出data的偏移量，得先計算出prevlength所占內存大小（1字節和5字節）：

//根據ptr指向的entry，返回這個entry的prevlensize
 
#define ZIP_DECODE_PREVLENSIZE(ptr, prevlensize) do { \
 
if ((ptr)[0] < ZIP_BIGLEN) { \
 
(prevlensize) = 1; \
 
} else { \
 
(prevlensize) = 5; \
 
} \
 
} while(0);

接着再用ZIP_DECODE_LENGTH(ptr + prevlensize, encoding, lensize, len)算出encoding所占的字節，返回給lensize；data所占的字節返回給len

//根據ptr指向的entry求出該entry的len（encoding里存的 data所占字節）和lensize（encoding所占的字節）
 
#define ZIP_DECODE_LENGTH(ptr, encoding, lensize, len) do { \
 
ZIP_ENTRY_ENCODING((ptr), (encoding)); \
 
if ((encoding) < ZIP_STR_MASK) { \
 
if ((encoding) == ZIP_STR_06B) { \
 
(lensize) = 1; \
 
(len) = (ptr)[0] & 0x3f; \
 
} else if ((encoding) == ZIP_STR_14B) { \
 
(lensize) = 2; \
 
(len) = (((ptr)[0] & 0x3f) << 8) | (ptr)[1]; \
 
} else if (encoding == ZIP_STR_32B) { \
 
(lensize) = 5; \
 
(len) = ((ptr)[1] << 24) | \
 
((ptr)[2] << 16) | \
 
((ptr)[3] << 8) | \
 
((ptr)[4]); \
 
} else { \
 
assert(NULL); \
 
} \
 
} else { \
 
(lensize) = 1; \
 
(len) = zipIntSize(encoding); \
 
} \
 
} while(0);
 
 
 
//將ptr的encoding解析成1個字節：00000000、01000000、10000000(字符串類型)和11??????(整數類型)
 
//如果是整數類型，encoding直接照抄ptr的;如果是字符串類型，encoding被截斷成一個字節並清零后6位
 
#define ZIP_ENTRY_ENCODING(ptr, encoding) do { \
 
(encoding) = (ptr[0]); \
 
if ((encoding) < ZIP_STR_MASK) (encoding) &= ZIP_STR_MASK; \
 
} while(0)
 
 
 
//根據encoding返回數據(整數)所占字節數
 
unsigned int zipIntSize(unsigned char encoding) {
 
switch(encoding) {
 
case ZIP_INT_8B: return 1;
 
case ZIP_INT_16B: return 2;
 
case ZIP_INT_24B: return 3;
 
case ZIP_INT_32B: return 4;
 
case ZIP_INT_64B: return 8;
 
default: return 0; /* 4 bit immediate */
 
}
 
assert(NULL);
 
return 0;
 
}

完成以上步驟之后，即可算出data的位置:ptr+prevlensize+lensize，以及data的長度len

ziplist接口

上文已經闡述了ziplist的底層內存布局，接下來看看一些基本的增刪改查操作在ziplist中是如何執行的。

ziplistNew 創建一個ziplist O(1)

/* Create a new empty ziplist. */
 
unsigned char *ziplistNew(void) {
 
unsigned int bytes = ZIPLIST_HEADER_SIZE+1;//<zlbytes>4字節<zltail>4字節<zllen>2字節<zlend>1字節，沒有entry節點
 
unsigned char *zl = zmalloc(bytes);
 
ZIPLIST_BYTES(zl) = intrev32ifbe(bytes);//<zlbytes>賦值
 
ZIPLIST_TAIL_OFFSET(zl) = intrev32ifbe(ZIPLIST_HEADER_SIZE);//<zltail>
 
ZIPLIST_LENGTH(zl) = 0;//<zllen>
 
zl[bytes-1] = ZIP_END;//<zlend>
 
return zl;
 
}
 
#define ZIPLIST_HEADER_SIZE (sizeof(uint32_t)*2+sizeof(uint16_t))//空ziplist除了<zlend>的大小
 
#define ZIPLIST_BYTES(zl) (*((uint32_t*)(zl)))//<zlbyte>的指針的值，可讀可寫
 
#define ZIPLIST_TAIL_OFFSET(zl) (*((uint32_t*)((zl)+sizeof(uint32_t))))//<zltail>的指針的值
 
#define ZIPLIST_HEADER_SIZE (sizeof(uint32_t)*2+sizeof(uint16_t))//空ziplist除了<zlend>的大小
 
#define ZIPLIST_LENGTH(zl) (*((uint16_t*)((zl)+sizeof(uint32_t)*2)))//<zllen>的指針的值

參照着圖1理解會直觀些，分配了一塊內存並初始化<zlbytes><zltail><zllen><zlend>，沒有entry。

ziplistFind 從ziplist里找出一個entry O(n)

//返回p節點之后data與vstr(長度是vlen)相等的節點，只找p節點之后每隔skip的節點
 
//時間復雜度 O(n)
 
unsigned char *ziplistFind(unsigned char *p, unsigned char *vstr, unsigned int vlen, unsigned int skip) {
 
int skipcnt = 0;
 
unsigned char vencoding = 0;
 
long long vll = 0;
 
 
 
while (p[0] != ZIP_END) {
 
unsigned int prevlensize, encoding, lensize, len;
 
unsigned char *q;
 
 
 
ZIP_DECODE_PREVLENSIZE(p, prevlensize);
 
ZIP_DECODE_LENGTH(p + prevlensize, encoding, lensize, len);
 
q = p + prevlensize + lensize;//當前節點的data
 
 
 
if (skipcnt == 0) {
 
/* Compare current entry with specified entry */
 
if (ZIP_IS_STR(encoding)) {//判斷當前節點是不是字符串節點
 
if (len == vlen && memcmp(q, vstr, vlen) == 0) {
 
return p;
 
}
 
} else {
 
/* Find out if the searched field can be encoded. Note that
 
* we do it only the first time, once done vencoding is set
 
* to non-zero and vll is set to the integer value. */
 
if (vencoding == 0) {//這個代碼塊只會執行一次,計算vstr的整數表示
 
if (!zipTryEncoding(vstr, vlen, &vll, &vencoding)) {
 
//將參數給的節點vstr當做整數節點轉換；將data值返回給vll，節點編碼返回給vencoding
 
//進入這個代碼塊說明將vstr轉換成整數失敗，vencoding不變，下次判斷當前節點是整數節點之后可以跳過這個節點
 
/* If the entry can't be encoded we set it to
 
* UCHAR_MAX so that we don't retry again the next
 
* time. */
 
vencoding = UCHAR_MAX;//當前節點是整數節點，但是vstr是字符串節點，跳過不用比較了
 
}
 
/* Must be non-zero by now */
 
assert(vencoding);
 
}
 
 
 
/* Compare current entry with specified entry, do it only
 
* if vencoding != UCHAR_MAX because if there is no encoding
 
* possible for the field it can't be a valid integer. */
 
if (vencoding != UCHAR_MAX) {
 
long long ll = zipLoadInteger(q, encoding);//算出當前節點的data
 
if (ll == vll) {
 
return p;
 
}
 
}
 
}
 
 
 
/* Reset skip count */
 
skipcnt = skip;
 
} else {
 
/* Skip entry */
 
skipcnt--;
 
}
 
 
 
/* Move to next entry */
 
p = q + len;
 
}
 
 
 
return NULL;
 
}
 
 
 
//嘗試將entry地址的內容轉換成整數，並根據這個整數算出一個合適的encoding返回給encoding參數。
 
//若無法轉換成整數，則encoding不變，返回0，等到下次調用zipEncodeLength時再計算一個該字符串的encoding
 
int zipTryEncoding(unsigned char *entry, unsigned int entrylen, long long *v, unsigned char *encoding) {
 
long long value;
 
 
 
if (entrylen >= 32 || entrylen == 0) return 0;
 
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 >= 0 && value <= 12) {
 
*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 1;
 
}
 
return 0;
 
}
 
 
 
/* Read integer encoded as 'encoding' from 'p' */
 
int64_t zipLoadInteger(unsigned char *p, unsigned char encoding) {
 
int16_t i16;
 
int32_t i32;
 
int64_t i64, ret = 0;
 
if (encoding == ZIP_INT_8B) {
 
ret = ((int8_t*)p)[0];
 
} else if (encoding == ZIP_INT_16B) {
 
memcpy(&i16,p,sizeof(i16));
 
memrev16ifbe(&i16);
 
ret = i16;
 
} else if (encoding == ZIP_INT_32B) {
 
memcpy(&i32,p,sizeof(i32));
 
memrev32ifbe(&i32);
 
ret = i32;
 
} else if (encoding == ZIP_INT_24B) {
 
i32 = 0;
 
memcpy(((uint8_t*)&i32)+1,p,sizeof(i32)-sizeof(uint8_t));
 
memrev32ifbe(&i32);
 
ret = i32>>8;
 
} else if (encoding == ZIP_INT_64B) {
 
memcpy(&i64,p,sizeof(i64));
 
memrev64ifbe(&i64);
 
ret = i64;
 
} else if (encoding >= ZIP_INT_IMM_MIN && encoding <= ZIP_INT_IMM_MAX) {
 
ret = (encoding & ZIP_INT_IMM_MASK)-1;
 
} else {
 
assert(NULL);
 
}
 
return ret;
 
}
 

1. 其他接口

• ziplistInsert 往ziplist里插入一個entry 時間復雜度 平均:O(n), 最壞:O(n²)
• ziplistDelete 從siplist里刪除一個entry 時間復雜度 平均:O(n), 最壞:O(n²)

為什么插入節點和刪除節點兩個接口的最壞時間復雜度會是O(n²)呢？這是由於ziplist的“連鎖更新”導致的，連鎖更新在最壞情況下需要對ziplist執行n次空間重分配操作，而且每次空間重分配的最壞時間復雜度為O(n) ----《Redis設計與實現》
但是出現“連鎖更新”的情況並不多見，所以這里基本不會造成性能問題。
篇幅有限這里不能細說連鎖更新，感興趣可以閱讀《Redis設計與實現》的相關章節以及ziplist.c里的__ziplistCascadeUpdate()函數。

總結

• ziplist是為節省內存空間而生的。
• ziplist是一個為Redis專門提供的底層數據結構之一，本身可以有序也可以無序。當作為list和hash的底層實現時，節點之間沒有順序；當作為zset的底層實現時，節點之間會按照大小順序排列。