Redis 设计与实现 10:五大数据类型之有序集合
2021-01-15 23:48
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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在
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 )
- 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;
- 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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