Redis | 第3章 對象《Redis設計與實現》

目錄

• 前言
• 1. Redis對象概述
  • 1.1 對象的定義
• 2. 字符串對象
• 3. 列表對象
  • 3.1 quicklist 快速鏈表
• 4. 哈希對象
• 5. 集合對象
• 6. 有序集合對象
• 7. Redis對象的特點
  • 7.1 類型檢查與命令多態
  • 7.2 內存回收
  • 7.3 對象共享
  • 7.4 對象的空轉時長
• 最后

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前言

參考資料：《Redis設計與實現 第二版》；

本篇筆記按照書里的脈絡，將知識點分為四個部分。其中第一部分數據結構與對象分為上中下篇，上篇包括：SDS、鏈表和字典；中篇包括跳躍表、整數集合和壓縮列表；下篇為對象；

上篇的鏈接：https://www.cnblogs.com/dlhjw/p/15569578.html

中篇的鏈接：https://www.cnblogs.com/dlhjw/p/15582039.html

與本章相關的 Redis 命令總結在下篇文章，歡迎點擊收藏，本篇將不再重復：

《Redis常用命令及示例總結（API）》：https://www.cnblogs.com/dlhjw/p/15639773.html

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1. Redis對象概述

• Redis沒有直接使用前面介紹的數據結構來實現鍵值對數據庫，而是基於這些數據結構的對象系統；

• Redis有五種基本對象，分別是字符串、列表、哈希、集合、有序集合。使用以下8種編碼方式中的幾種作為底層實現底層實現：long類型整數、embstr編碼的SDS、SDS、字典、雙端鏈表、壓縮列表、整數集合、跳躍表；

• Redis在創建鍵值對時，至少會生成兩個對象，鍵對象和值對象；

1.1 對象的定義

• Redis中的每個對象都由一個redisObject結構來表示：

  typedef struct redisObject{
      //類型
      unsigned type:4;
      //編碼
      unsigned encoding:4;
      //指向底層實現數據結構的的指針
      void *ptr;
      //……
  }
  

  • 類型type的可選類型：

    類型常量	對象的名稱	TYPE命令的輸出
    REDIS_STRING	字符串對象	string
    REDIS_LIST	列表對象	list
    REDIS_HASH	哈希對象	hash
    REDIS_SET	集合對象	set
    REDIS_ZSET	有序集合對象	zset

  • 編碼encoding的可選類型；同種類型可以有不同的編碼形式：

    類型	對象	編碼	編碼方式	OBJECT ENCODING命令輸出
    REDIS_STRING	字符串	REDIS_ENCODING_INT	使用整數數值實現	int
    REDIS_STRING	字符串	REDIS_ENCODING_EMBSTR	使用embstr編碼	embstr
    REDIS_STRING	字符串	REDIS_ENCODING_RAW	使用SDS實現	raw
    REDIS_LIST	列表	REDIS_ENCODING_ZIPLIST	使用壓縮列表實現	ziplist
    REDIS_LIST	列表	REDIS_ENCODING_LINKEDLIST	使用雙端鏈表實現	linkedlist
    REDIS_HASH	哈希	REDIS_ENCODING_ZIPLIST	使用壓縮列表實現	ziplist
    REDIS_HASH	哈希	REDIS_ENCODING_HT	使用字典實現	hashtable
    REDIS_SET	集合	REDIS_ENCODING_INTSET	使用整數集合實現	intset
    REDIS_SET	集合	REDIS_ENCODING_HT	使用字典實現	hashtable
    REDIS_ZSET	有序集合	REDIS_ENCODING_ZIPLIST	使用壓縮列表實現	ziplist
    REDIS_ZSET	有序集合	REDIS_ENCODING_SKIPLIST	使用跳躍表和字典實現	skiplist

2. 字符串對象

• 字符串編碼可以是int、raw、embstr；

  編碼類型	說明
  int	字符串保存整數值，並且這個整數可以用long類型表示
  raw	字符串值的長度大於39字節
  embstr	字符串值的長度小於39字節

• embstr編碼是專門用於保存短字符串的一種優化編碼方式；

• raw與embstr的異同：

  • 二者都使用redisObject結構與sdshdr結構來表示字符串；
  • embstr通過調用一次內存分配函數來分配一塊連續的空間；
  • raw通過調用兩次內存分配函數來分配一塊連續的空間；

• embstr的優點：

  • 創建時只需要分配一次內存；
  • 釋放時只需要調用一次內存釋放函數；
  • 連續保存在一塊連續內存里，對緩存友好；
    

• long double類型表示的浮點數在Redis中也是作為字符串值來保存的；

• embstr編碼的字符串對象實際上是只讀的，要修改先會轉成raw編碼，再執行修改命令；

• 字符串命令請見《Redis常用命令及示例總結》；

3. 列表對象

• 列表的編碼對象可以是ziplist或linkedlist；
• redis 3.2以后，quicklist作為列表鍵的實現底層實現之一，代替了壓縮列表。
• ziplist編碼的條件：
  • 列表對象保存的所有字符串元素的長度都小於64字節；
  • 列表對象保存的元素數量小於512個；

• linklist編碼：
  

• 列表命令請見《Redis常用命令及示例總結》；

3.1 quicklist 快速鏈表

• quicklist的定義在quicklist.h：

  typedef struct quicklist {
      //指向頭部(最左邊)quicklist節點的指針
      quicklistNode *head;
      //指向尾部(最右邊)quicklist節點的指針
      quicklistNode *tail;
      //ziplist中的entry節點計數器
      unsigned long count;  
      //quicklist的quicklistNode節點計數器
      unsigned int len; 
      //保存ziplist的大小，配置文件設定，占16bits
      int fill : 16;      
      //保存壓縮程度值，配置文件設定，占16bits，0表示不壓縮
      unsigned int compress : 16; 
  } quicklist;
  

• quicklist節點的定義：

  typedef struct quicklistNode {
      struct quicklistNode *prev;     //前驅節點指針
      struct quicklistNode *next;     //后繼節點指針
      //不設置壓縮數據參數recompress時指向一個ziplist結構
      //設置壓縮數據參數recompress指向quicklistLZF結構
      unsigned char *zl;
      //壓縮列表ziplist的總長度
      unsigned int sz;              
      //ziplist中包的節點數，占16 bits長度
      unsigned int count : 16;    
      //表示是否采用了LZF壓縮算法壓縮quicklist節點，1表示壓縮過，2表示沒壓縮，占2 bits長度
      unsigned int encoding : 2;       
      //表示一個quicklistNode節點是否采用ziplist結構保存數據，2表示壓縮了，1表示沒壓縮，默認是2，占2bits長度
      unsigned int container : 2;   
      //標記quicklist節點的ziplist之前是否被解壓縮過，占1bit長度
      //如果recompress為1，則等待被再次壓縮
      unsigned int recompress : 1;
      //測試時使用
      unsigned int attempted_compress : 1; 
      //額外擴展位，占10bits長度
      unsigned int extra : 10; 
  } quicklistNode;
  

4. 哈希對象

• 哈希對象編碼可以是ziplist或hashtable；

• 使用ziplist編碼的條件：

  • 鍵和值的字符串長度小於64字節；
  • 鍵值對數量少於512個；

• 使用ziplist編碼時：
  

• 使用hashtable編碼時：

• 哈希表命令請見《Redis常用命令及示例總結》；

5. 集合對象

• 集合對象的編碼可以是intset或hashtable；
• 使用inset編碼的條件：
  • 所有元素為整數值；
  • 保存的元素不超過512個；
• 使用inset編碼時：
  
• 使用hashtable編碼時：
  
• 集合命令請見《Redis常用命令及示例總結》；

6. 有序集合對象

• 有序集合的編碼可以是ziplist或skiplist；

• 壓縮列表內的集合元素按分值從小到大排列；

• 使用ziplist編碼時：
  
  

• 使用ziplist編碼的條件：

  • 元素數量少於128個；
  • 元素長度小於64字節；

• 使用skiplist編碼時，使用zset結構作為底層實現；

• zset的定義：

  typedef struct zset{
      //跳躍表
      zskiplist *zsl;
      //字典
      dict *dict;
  } zset;
  

  • 跳躍表和字典使用指針來共享相同的元素和分值，因此不會產生重復，也不會造成內存浪費；
    

• 有序集合命令請見《Redis常用命令及示例總結》；

7. Redis對象的特點

7.1 類型檢查與命令多態

• Redis的命令基本上分兩類。一種是可以對任意類型的鍵操作（基於類型的多態），一種是只能對特定類型的鍵執行（基於編碼的多態）；
• 在執行特定類型命令之前，服務器會先檢查redisObject結構的type屬性，判斷是否為執行該命令所需的類型。是則執行，否則返回類型錯誤；
• Redis還會根據值對象的編碼方式選擇正確底層方法，使一個命令可以同時用於處理多種不同編碼方式的數據結構，進而實現多態命令；

7.2 內存回收

• C語言不具備自動回收內存的功能，Redis構建一個引用計數計數實現內存回收機制；

• 引用計數由redisObject結構的refcount屬性記錄：

  typedef struct redisObject{
      //...
      //引用計數
      int refcount; 
      //...
  }
  

  • 創建新對象時，refcount被初始化為1；
  • 對象被新程序使用時，refcount++；
  • 對象不被一個程序使用時，refcount--；
  • 對象計數值為0時，對象占用的內存會被釋放；

7.3 對象共享

• 對象的計數屬性帶有對象共享的作用；
• 當多個鍵保存同一個值時，這些鍵的值指針指向同一個值對象，值對象的refcounr為n；
• Redis在初始化服務器時，會創建一萬個字符串對象（0~9999的字符串對象），當服務器需要用到這些值對象時，服務器會使用這些共享對象，而不是創建新對象；
• Redis只對包含整數值的字符串對象進行共享，驗證數字的時間復雜度為O(1)；

7.4 對象的空轉時長

• redisObject結構里有個lru屬性，記錄對象最后一次被命令程序訪問的時間；

  typedef struct redisObject{
      //...
      unsigned lru:22;
      //...
  }
  

• 使用命令OBJECT IDLETIME可以顯示對象的空轉時間，不會改變對象的空轉時間；
• 如果服務器打開maxmemory選項，並且回收內存的算法為volatile-lru或allkeys-lru，那么當服務器占用的內存數超過maxmemory選項設置的上限值是，空轉時間較高的鍵會優先被服務器釋放，回收內存；

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最后

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