Redis数据对象及底层编码实现

最近在研究redis，稍微看了一下huanggz的《redis设计与实现》及源码中的相关实现，感觉作者对于redis确实有一定程序的了解，把问题说明很很清楚。本文算是对下午的学习的一个记录。

作为内存数据库，由于其采用的c语言没有内置相关的数据结构，redis自己实现了几个底层的数据结构，具体包括如下：

1. 简单动态字符串

Redis 没有直接使用 C 语言传统的字符串表示（以空字符结尾的字符数组，以下简称 C 字符串）， 而是自己构建了一种名为简单动态字符串（simple dynamic string，SDS）的抽象类型， 并将 SDS 用作 Redis 的默认字符串表示。





2. 双端链表

链表提供了高效的节点重排能力， 以及顺序性的节点访问方式， 并且可以通过增删节点来灵活地调整链表的长度。作为一种常用数据结构， 链表内置在很多高级的编程语言里面， 因为 Redis 使用的 C 语言并没有内置这种数据结构， 所以 Redis 构建了自己的链表实现。





3. 字典

字典， 又称符号表（symbol table）、关联数组（associative array）或者映射（map）， 是一种用于保存键值对（key-value pair）的抽象数据结构。



4. 跳跃表

跳跃表（skiplist）是一种有序数据结构， 它通过在每个节点中维持多个指向其他节点的指针， 从而达到快速访问节点的目的。

跳跃表支持平均 O(\log N) 最坏 O(N) 复杂度的节点查找， 还可以通过顺序性操作来批量处理节点。

在大部分情况下， 跳跃表的效率可以和平衡树相媲美， 并且因为跳跃表的实现比平衡树要来得更为简单， 所以有不少程序都使用跳跃表来代替平衡树。

Redis 使用跳跃表作为有序集合键的底层实现之一： 如果一个有序集合包含的元素数量比较多， 又或者有序集合中元素的成员（member）是比较长的字符串时， Redis 就会使用跳跃表来作为有序集合键的底层实现。



5. 整数集合

整数集合（intset）是集合键的底层实现之一： 当一个集合只包含整数值元素， 并且这个集合的元素数量不多时， Redis 就会使用整数集合作为集合键的底层实现。





6. 压缩列表

压缩列表（ziplist）是列表键和哈希键的底层实现之一。

当一个列表键只包含少量列表项， 并且每个列表项要么就是小整数值， 要么就是长度比较短的字符串， 那么 Redis 就会使用压缩列表来做列表键的底层实现。







这几个数据结构是redis的类型基础，也是理解redis的命令的重要知识。尽管redis拥有了这么多的adt，但是redis并没有直接使用这些数据结构，而是构建了一个对象系统，核心就是redisObject。

个人觉得作者是采用了面向对象的概念，用c语言实现多态，具体来说就是在redisObject这个类里面设置了type与ptr这两个域，其中type指定了对象的类型，而ptr则指向具体的数据。每当我们在redis数据库新建一个键值对时，我们至少会创建两个对象：

1、键对象：键值对的键，字符串类型

2、值对象：键值对的值，其类型根据需要确定。

redis总结包括5种对象，每个对象都由一个redisObject结构表示。如下：

typedef struct redisObject {
// 类型
unsigned type:4;
// 编码
unsigned encoding:4;
// 指向底层实现数据结构的指针
void *ptr;
// ...
} robj;

感觉兴趣的读者可以自己去看一下这本书及源代码。下面简单记录一下5对象可能采用的数据结构及一些有用的知识。

1、字符串对象

字符串对象的编码可以是int、embstr及raw。

2、列表对象

列表对象的编码可以是ziplist 或者linkedlist。

3、哈希对象

哈希对象的编码可以是ziplist或者hashtable。

4、集合对象

集合对象的编码可以是intset或者hashtable。

5、有序集合对象

有序集合对象的编码可以是ziplist或者skiplist。

重要知识：

1、redis数据库中的每个键值对的“键”与“值”都是一个redisObject对象；

2、redis共有字符串、列表、哈希、集合及有序集合5种类型的对象，每种类型的对象都有至少两种或者以上的编码方式，不同的编码可以在不同的场景上使用，以优化对象的使用效率，整体上的原则是当数据量比较少时，采用一种编码方式，当数据量比较大时，采用另一种编码方式，后者可以更消耗内存（这点可以通过配置文件实现，但不是全部的条件都可以配置，此外，具体的默认配置在不同版本也不一样）。从这种上也可以看出来redis作者声明的关于redis是追求性能这一点的；

3、服务器在执行某些命令之前，会先检查给定键的类型能否执行指定的命令，而检查一个键的类型就是检查键的值的类型；

4、redis的对象系统带有引用计数实现的内存回收机制，当一个对象不再被使用时，该对象所占用的内存就会被自动释放；

5、redis会共享值为0到9999的字符串对象，本质上是共享值为整数类型的字符串对象；

6、对象会记录自己的最后一次被访问的时间，这个时间可以用于计算对象的空转时间，当需要清理内存空间时可以提供依据。