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Redis 设计与实现 10:五大数据类型之有序集合

2021-01-15 23:48 821 查看

有序集合

sorted set
(下面我们叫
zset
吧) 有两种编码方式:压缩列表
ziplist
和跳表
skiplist

编码一:ziplist

zset
ziplist
中,成员(
member
)和分数(
score
)是挨在一起的,元素按照分数从小到大存储。

举个例子,我们用以下命令创建一个

zset

redis> ZADD key 26.1 z 1 a 2 b
(integer) 3

那么这个

zset
的结构大致如下:

下面我们来分析一下

zscore
命令的源码,进一步了解
zset
是如何利用
ziplist
存储的

int zsetScore(robj *zobj, sds member, double *score) {
// ...
if (zobj->encoding == OBJ_ENCODING_ZIPLIST) {
if (zzlFind(zobj->ptr, member, score) == NULL) return C_ERR;
}
// ...
return C_OK;
}

unsigned char *zzlFind(unsigned char *zl, sds ele, double *score) {
// eptr 是 member 的指针,sptr 是 score 的指针
unsigned char *eptr = ziplistIndex(zl,0), *sptr;

// 遍历 ziplist
while (eptr != NULL) {
// 因为 member 和 score 是挨着存储的,所以获取 member 的下一个节点就是 score 啦
sptr = ziplistNext(zl,eptr);
serverAssert(sptr != NULL);

// 对比当前的 member 和要查询的 member 是否相等
if (ziplistCompare(eptr,(unsigned char*)ele,sdslen(ele))) {
// 如果相等,则获取分数
if (score != NULL) *score = zzlGetScore(sptr);
return eptr;
}

// 不相等则继续往下遍历
eptr = ziplistNext(zl,sptr);
}
return NULL;
}

// 获取分数
double zzlGetScore(unsigned char *sptr) {
unsigned char *vstr;
unsigned int vlen;
long long vlong;
char buf[128];
double score;

serverAssert(sptr != NULL);
// ziplistGet 通过 sptr 指针获取值。根据节点的编码(前文有说到ziplist节点的编码) 对参数赋值
// 如果是字符串,则赋值到 vstr; 如果是整数,则赋值到 vlong。
serverAssert(ziplistGet(sptr,&vstr,&vlen,&vlong));

if (vstr) {
// 如果是字符串,那么存的就是浮点数
memcpy(buf,vstr,vlen);
buf[vlen] = '\0';
// 字符串转换成浮点数
score = strtod(buf,NULL);
} else {
// 整数类型就直接赋值
score = vlong;
}

return score;
}

编码二:skiplist

跳表的实现

skiplist
编码的底层实现是跳表。

下面是跳表的结构图 (图片来自 《Redis 设计与实现》图片集 )

  1. 图中最左部分就是
    zskiplist
    结构,其代码实现如下(
    server.h
    ):
typedef struct zskiplist {
// 头指针和尾指针,指向头尾节点
struct zskiplistNode *header, *tail;
// 跳表的节点数(不包含头结点,空跳表也会包含头结点)
unsigned long length;
// 所有节点中,最大的层数
int level;
} zskiplist;
  1. 图中右边的四个节点,就是跳表节点
    zskiplistNode
    ,其代码实现如下(
    server.h
    ):
typedef struct zskiplistNode {
// 成员
sds ele;
// 分数
double score;
// 后退指针,指向前一个节点
struct zskiplistNode *backward;
// 层,每个节点可能有很多层,每个层可能指向不同的节点
struct zskiplistLevel {
// 前进指针,指向下一个节点
struct zskiplistNode *forward;
// 跟下一个节点之间的跨度
unsigned long span;
} level[];
} zskiplistNode;

跳表最重要的一个地方就是层

level
,为什么这么说呢?

假设

zset
用链表有序存储,如果我们要查找数据,只能从头到尾遍历,时间复杂度是 \(O(n)\),效率很低。

有什么办法提高效率呢?我们可以在上面添加一层索引。

可以看出,我们遍历的性能变高了。例如我们想找到 6,先遍历第一层,5 到 7 之间,再往下探,就能找到 6 了!
有读者就发现了,如果数据量很大,那找起来也很慢。
是的,那么怎么解决呢?再往上加索引呗!

这不,链表就变成了跳表了!而上面说的层,就是这些索引啦!最终跳表的查找时间复杂度是 \(O(logn)\)

我们来看看

zrange
命令的核心实现,来感受一下跳表的遍历吧

zskiplistNode* zslGetElementByRank(zskiplist *zsl, unsigned long rank) {
zskiplistNode *x;
unsigned long traversed = 0;
int i;
// 层头结点开始
x = zsl->header;
// 层从高到低
for (i = zsl->level-1; i >= 0; i--) {
// 只要遍历的数没有达到 rank,就一直遍历
while (x->level[i].forward && (traversed + x->level[i].span) <= rank)
{
// 每次加上层
ad8
的跨度
traversed += x->level[i].span;
// 往前走
x = x->level[i].forward;
}
// 如果这一层走完还没到 rank,那就往下层走,如果还是找不到就继续走,直到走到最底层
if (traversed == rank) {
return x;
}
}
return NULL;
}

zset 的结构

skiplist
编码的
zset
的结构定义如下:

typedef struct zset {
dict *dict;
zskiplist *zsl;
} zset;

结构中包含了一个字典和一个跳表,为什么用了跳表还需要字典呢?
命令

zscore
这种单找一个值的,如果只用跳表的话,那么查找的时间复杂度是 \(O(logn)\),加上一个字典可以把时间复杂度缩减为 \(O(n)\)。

那么肯定有同学就会说,加一个字典会浪费了很多空间。
的确,多加一个字典肯定会多占用一定的空间,空间换时间是一种常见的做法。不过字典的值指向的对象跟跳表的对象是共用的。

下图是一个

zset
的示例,为了方便,把他们指向的字符串对象都分别画出来了,实际上是共享的。(图片来自 《Redis 设计与实现》图片集 )

源码分析

我们来看看

skiplist
编码下的
zscore
如何实现吧。

int zsetScore(robj *zobj, sds member, double *score) {
// 前面其他 ziplist 编码的就省略了...
// if ...
else if (zobj->encoding == OBJ_ENCODING_SKIPLIST) {
zset *zs = zobj->ptr;
// 直接通过 dict 查找,时间复杂度复杂度 O(1)
dictEntry *de = dictFind(zs->dict, member);
if (de == NULL) return C_ERR;
*score = *(double*)dictGetVal(de);
}

// ...
return C_OK;
}

编码转换

当有序集合对象可以同时满足以下两个条件时,对象使用

ziplist
编码:

  • 有序集合保存的元素数量小于128个(可通过
    zset-max-ziplist-entries
    修改配置);
  • 有序集合保存的所有元素成员的长度都小于64字节(可通过
    zset-max-ziplist-value
    修改配置);

不能满足以上两个条件的有序集合对象将使用

skiplist
编码。

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