Redis 數據結構-簡單動態字元串

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Redis 數據結構-簡單動態字元串 無邊落木蕭蕭下，不盡長江滾滾來。 1、簡介 Redis 之所以快主要得益於它的數據結構、操作記憶體資料庫、單線程和多路 I/O 復用模型，進一步窺探下它常見的五種基本數據的底層數據結構。 Redis 常見數據類型對應的的底層數據結構。 String：簡單動態字元串 ...


Redis 數據結構-簡單動態字元串

 

　　　　　　無邊落木蕭蕭下，不盡長江滾滾來。

 

1、簡介

Redis 之所以快主要得益於它的數據結構、操作記憶體資料庫、單線程和多路 I/O 復用模型，進一步窺探下它常見的五種基本數據的底層數據結構。

Redis 常見數據類型對應的的底層數據結構。

  • String：簡單動態字元串。
  • List：雙向鏈表、壓縮列表。
  • Hash：壓縮列表、哈希表。
  • Sorted Set：壓縮列表、跳錶。
  • Set：哈希表、整數數組。

2、簡單動態字元串

String是Redis 最基本的類型，最大能存儲 512MB 的數據，String類型是二進位安全的，它可以存儲任何數據包括數字、圖片、序列化對象等。雖然Redis 是C 語言寫的，但Redis 中並沒有使用 C 中 char 來表示字元串，而是自定義了一種新的字元串結構 簡單動態字元串（Simple Dynamic Strings，SDS）來存儲字元串和整型數據。

C 語言字元串有以下幾個問題：

  • C 中獲取字元串長度的需要通過運算，複雜度為O(n)。
  • 非二進位安全，不能出現類似於’\0’的字元，因為在C 字元串中，'\0’代表字元串結束。
  • 每一次刪除和增加字元串的長度，都需要重新分配空間。

SDS 結構

例如執行以下命令

set name "tjt"

set命令執行後，Redis將在底層創建兩個SDS，一個是包含name 的SDS，另一個是包含“tjt”的SDS。 

從Redis 源碼的sds.h 文件中可以看到SDS 的結構體。

 從sds.h 源碼中截取出sdshdr8 如下。

1 struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr8 {
2     uint8_t len; /* used */
3     uint8_t alloc; /* excluding the header and null terminator */
4     unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits */
5     char buf[];
6 };
  • len： 記錄 char buf [] 數組中已使用位元組的數量，等於 SDS 保存字元串的長度，不包含結束標識符'\0'
  • alloc：記錄 char buf [] 數組申請的總位元組數，不包含結束標識符'\0'
  • buf：位元組數組，用戶保存字元串
  • flags：不同SDS 頭類型，sds 會根據字元串實際的長度，選擇不同的數據結構，節省記憶體空間，更好的提升記憶體效率。當前 sdshdr 結構分為 5 種子類型，分別為 sdshdr5、sdshdr8、sdshdr16、sdshdr32、sdshdr64。如下圖對應的幾種SDS_TYPE。

例如，一個包含字元串“tjt"的SDS 結構如下: 

動態字元串SDS 具備動態擴容的能力，例如給SDS 'tjt' 追加一段字元串 ",go”，這裡首先會申請新記憶體空間。

  • 如果新字元串小於1M，則新空間為 擴展後字元串長度的兩倍 + 1;
  • 如果新字元串大於1M，則新空間為 擴展後字元串長度 + 1M +1 ，空間預分配用於優化 SDS 的字元串增長操作。

3、Redis 使用SDS 的優勢

1、SDS可以通過常數級別獲取字元串的長度

redis的結構中存儲了字元串的長度，所以獲取字元串的長度複雜度為O(1)，c 中字元串沒記錄長度，需要遍歷整個長度，複雜度為O(N)。

2、杜絕緩衝區溢出

  • 如果在修改字元的時候，沒有分配足夠的記憶體大小，就很容易造成緩存溢出，記憶體越界。
  • strcat 函數常見的錯誤就是數組越界，即兩個字元串連接後，長度超過第一個字元串數組定義的長度，導致越界。
  • SDS 中的空間分配策略可以杜絕這種情況，當對 SDS 進行修改時，API 會檢查 SDS 的空間是否滿足修改所需的要求，如果不滿足的話，API 會自動將 SDS 的空間擴展至執行修改所需的大小，然後才執行實際的修改操作。空間的申請是自動完成的，所以就避免了緩存溢出。

3、減少修改字元串時的記憶體分配次數

  • 對於 C 字元串來說，如果修改字元串的長度，都需要重新執行記憶體分配操作；但是對於 Redis 資料庫來說，如果頻繁執行記憶體分配/釋放操作，必然會對性能產生一定影響。為了避免 C 字元串的缺陷，SDS 採用了空間預分配和惰性空間釋放兩種優化策略。
  • 空間預分配：redis分配的空間不是按照需要的分配，一般會有多餘的空間。所以字元串長度增加時，剩餘的空間足夠，就可以避免重新分配空間，減少修改字元串時的空間分配次數。
  • 惰性釋放：減少字元的長度時也不是直接刪除多餘的內容。而是設置已使用空間的長度，隱藏刪除內容。

4、二進位安全

  • 對於 C 字元串來說，字元串中不能包含空字元，否則最先被程式讀入的空字元串被誤認為是字元串結尾，這使得 C 字元串只能保存文本數據，而不能保存圖片、音視頻等二進位文件。
  • 對於 SDS 來說，採用二進位存儲，所有 SDS 都會以處理二進位的方式來處理 SDS 保存在 buf 數組中的內容，程式不會對裡面的內容做任何限制。

5、Int、Raw和 embstr 動態存儲

簡單動態字元串結構在數據存儲過程中，字元串對象會根據保存值的類型、長度不同，動態匹配三種存儲結構：Int、Raw和 embstr 。

  • Int：如果存儲的是整數值（可以用long表示），則底層存儲結構為Int；
  • raw：如果存儲的是字元串且字元串長度超過39 位元組，則底層存儲結構為raw；
  • embstr：如果存儲的是字元串且字元串長度未超過39 位元組，則底層存儲結構為embstr（需要一塊連續的記憶體空間）；
  • embstr 和raw 都使用redisObject 和sdshdr 結構來表示字元串對象，但是raw 會分別兩次創建redisObject 與sdshdr，記憶體不一定是連續的，而embstr 直接創建一塊連續的記憶體。embstr 是一塊連續的記憶體空間，因此其效率上比raw 方式要高。

sds.h 文件完整源碼

  1 /* SDSLib 2.0 -- A C dynamic strings library
  2  *
  3  * Copyright (c) 2006-2015, Salvatore Sanfilippo <antirez at gmail dot com>
  4  * Copyright (c) 2015, Oran Agra
  5  * Copyright (c) 2015, Redis Labs, Inc
  6  * All rights reserved.
  7  *
  8  * Redistribution and use in source and binary forms, with or without
  9  * modification, are permitted provided that the following conditions are met:
 10  *
 11  *   * Redistributions of source code must retain the above copyright notice,
 12  *     this list of conditions and the following disclaimer.
 13  *   * Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
 14  *     notice, this list of conditions and the following disclaimer in the
 15  *     documentation and/or other materials provided with the distribution.
 16  *   * Neither the name of Redis nor the names of its contributors may be used
 17  *     to endorse or promote products derived from this software without
 18  *     specific prior written permission.
 19  *
 20  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE COPYRIGHT HOLDERS AND CONTRIBUTORS "AS IS"
 21  * AND ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE
 22  * IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE
 23  * ARE DISCLAIMED. IN NO EVENT SHALL THE COPYRIGHT OWNER OR CONTRIBUTORS BE
 24  * LIABLE FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR
 25  * CONSEQUENTIAL DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF
 26  * SUBSTITUTE GOODS OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS
 27  * INTERRUPTION) HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN
 28  * CONTRACT, STRICT LIABILITY, OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE)
 29  * ARISING IN ANY WAY OUT OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE
 30  * POSSIBILITY OF SUCH DAMAGE.
 31  */
 32 
 33 #ifndef __SDS_H
 34 #define __SDS_H
 35 
 36 #define SDS_MAX_PREALLOC (1024*1024)
 37 const char *SDS_NOINIT;
 38 
 39 #include <sys/types.h>
 40 #include <stdarg.h>
 41 #include <stdint.h>
 42 
 43 typedef char *sds;
 44 
 45 /* Note: sdshdr5 is never used, we just access the flags byte directly.
 46  * However is here to document the layout of type 5 SDS strings. */
 47 struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr5 {
 48     unsigned char flags; /* 3 lsb of type, and 5 msb of string length */
 49     char buf[];
 50 };
 51 struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr8 {
 52     uint8_t len; /* used */
 53     uint8_t alloc; /* excluding the header and null terminator */
 54     unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits */
 55     char buf[];
 56 };
 57 struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr16 {
 58     uint16_t len; /* used */
 59     uint16_t alloc; /* excluding the header and null terminator */
 60     unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits */
 61     char buf[];
 62 };
 63 struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr32 {
 64     uint32_t len; /* used */
 65     uint32_t alloc; /* excluding the header and null terminator */
 66     unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits */
 67     char buf[];
 68 };
 69 struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr64 {
 70     uint64_t len; /* used */
 71     uint64_t alloc; /* excluding the header and null terminator */
 72     unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits */
 73     char buf[];
 74 };
 75 
 76 #define SDS_TYPE_5  0
 77 #define SDS_TYPE_8  1
 78 #define SDS_TYPE_16 2
 79 #define SDS_TYPE_32 3
 80 #define SDS_TYPE_64 4
 81 #define SDS_TYPE_MASK 7
 82 #define SDS_TYPE_BITS 3
 83 #define SDS_HDR_VAR(T,s) struct sdshdr##T *sh = (void*)((s)-(sizeof(struct sdshdr##T)));
 84 #define SDS_HDR(T,s) ((struct sdshdr##T *)((s)-(sizeof(struct sdshdr##T))))
 85 #define SDS_TYPE_5_LEN(f) ((f)>>SDS_TYPE_BITS)
 86 
 87 static inline size_t sdslen(const sds s) {
 88     unsigned char flags = s[-1];
 89     switch(flags&SDS_TYPE_MASK) {
 90         case SDS_TYPE_5:
 91             return SDS_TYPE_5_LEN(flags);
 92         case SDS_TYPE_8:
 93             return SDS_HDR(8,s)->len;
 94         case SDS_TYPE_16:
 95             return SDS_HDR(16,s)->len;
 96         case SDS_TYPE_32:
 97             return SDS_HDR(32,s)->len;
 98         case SDS_TYPE_64:
 99             return SDS_HDR(64,s)->len;
100     }
101     return 0;
102 }
103 
104 static inline size_t sdsavail(const sds s) {
105     unsigned char flags = s[-1];
106     switch(flags&SDS_TYPE_MASK) {
107         case SDS_TYPE_5: {
108             return 0;
109         }
110         case SDS_TYPE_8: {
111             SDS_HDR_VAR(8,s);
112             return sh->alloc - sh->len;
113         }
114         case SDS_TYPE_16: {
115             SDS_HDR_VAR(16,s);
116             return sh->alloc - sh->len;
117         }
118         case SDS_TYPE_32: {
119             SDS_HDR_VAR(32,s);
120             return sh->alloc - sh->len;
121         }
122         case SDS_TYPE_64: {
123             SDS_HDR_VAR(64,s);
124             return sh->alloc - sh->len;
125         }
126     }
127     return 0;
128 }
129 
130 static inline void sdssetlen(sds s, size_t newlen) {
131     unsigned char flags = s[-1];
132     switch(flags&SDS_TYPE_MASK) {
133         case SDS_TYPE_5:
134             {
135                 unsigned char *fp = ((unsigned char*)s)-1;
136                 *fp = SDS_TYPE_5 | (newlen << SDS_TYPE_BITS);
137             }
138             break;
139         case SDS_TYPE_8:
140             SDS_HDR(8,s)->len = newlen;
141             break;
142         case SDS_TYPE_16:
143             SDS_HDR(16,s)->len = newlen;
144             break;
145         case SDS_TYPE_32:
146             SDS_HDR(32,s)->len = newlen;
147             break;
148         case SDS_TYPE_64:
149             SDS_HDR(64,s)->len = newlen;
150             break;
151     }
152 }
153 
154 static inline void sdsinclen(sds s, size_t inc) {
155     unsigned char flags = s[-1];
156     switch(flags&SDS_TYPE_MASK) {
157         case SDS_TYPE_5:
158             {
159                 unsigned char *fp = ((unsigned char*)s)-1;
160                 unsigned char newlen = SDS_TYPE_5_LEN(flags)+inc;
161                 *fp = SDS_TYPE_5 | (newlen << SDS_TYPE_BITS);
162             }
163             break;
164         case SDS_TYPE_8:
165             SDS_HDR(8,s)->len += inc;
166             break;
167         case SDS_TYPE_16:
168             SDS_HDR(16,s)->len += inc;
169             break;
170         case SDS_TYPE_32:
171             SDS_HDR(32,s)->len += inc;
172             break;
173         case SDS_TYPE_64:
174             SDS_HDR(64,s)->len += inc;
175             break;
176     }
177 }
178 
179 /* sdsalloc() = sdsavail() + sdslen() */
180 static inline size_t sdsalloc(const sds s) {
181     unsigned char flags = s[-1];
182     switch(flags&SDS_TYPE_MASK) {
183         case SDS_TYPE_5:
184             return SDS_TYPE_5_LEN(flags);
185         case SDS_TYPE_8:
186             return SDS_HDR(8,s)->alloc;
187         case SDS_TYPE_16:
188             return SDS_HDR(16,s)->alloc;
189         case SDS_TYPE_32:
190             return SDS_HDR(32,s)->alloc;
191         case SDS_TYPE_64:
192             return SDS_HDR(64,s)->alloc;
193     }
194     return 0;
195 }
196 
197 static inline void sdssetalloc(sds s, size_t newlen) {
198     unsigned char flags = s[-1];
199     switch(flags&SDS_TYPE_MASK) {
200         case SDS_TYPE_5:
201             /* Nothing to do, this type has no total allocation info. */
202             break;
203         case SDS_TYPE_8:
204             SDS_HDR(8,s)->alloc = newlen;
205             break;
206         case SDS_TYPE_16:
207             SDS_HDR(16,s)->alloc = newlen;
208             break;
209         case SDS_TYPE_32:
210             SDS_HDR(32,s)->alloc = newlen;
211             break;
212         case SDS_TYPE_64:
213             SDS_HDR(64,s)->alloc = newlen;
214             break;
215     }
216 }
217 
218 sds sdsnewlen(const void *init, size_t initlen);
219 sds sdsnew(const char *init);
220 sds sdsempty(void);
221 sds sdsdup(const sds s);
222 void sdsfree(sds s);
223 sds sdsgrowzero(sds s, size_t len);
224 sds sdscatlen(sds s, const void *t, size_t len);
225 sds sdscat(sds s, const char *t);
226 sds sdscatsds(sds s, const sds t);
227 sds sdscpylen(sds s, const char *t, size_t len);
228 sds sdscpy(sds s, const char *t);
229 
230 sds sdscatvprintf(sds s, const char *fmt, va_list ap);
231 #ifdef __GNUC__
232 sds sdscatprintf(sds s, const char *fmt, ...)
233     __attribute__((format(printf, 2, 3)));
234 #else
235 sds sdscatprintf(sds s, const char *fmt, ...);
236 #endif
237 
238 sds sdscatfmt(sds s, char const *fmt, ...);
239 sds sdstrim(sds s, const char *cset);
240 void sdsrange(sds s, ssize_t start, ssize_t end);
241 void sdsupdatelen(sds s);
242 void sdsclear(sds s);
243 int sdscmp(const sds s1, const sds s2);
244 sds *sdssplitlen(const char *s, ssize_t len, const char *sep, int seplen, int *count);
245 void sdsfreesplitres(sds *tokens, int count);
246 void sdstolower(sds s);
247 void sdstoupper(sds s);
248 sds sdsfromlonglong(long long value);
249 sds sdscatrepr(sds s, const char *p, size_t len);
250 sds *sdssplitargs(const char *line, int *argc);
251 sds sdsmapchars(sds s, const char *from, const char *to, size_t setlen);
252 sds sdsjoin(char **argv, int argc, char *sep);
253 sds sdsjoinsds(sds *argv, int argc, const char *sep, size_t seplen);
254 
255 /* Low level functions exposed to the user API */
256 sds sdsMakeRoomFor(sds s, size_t addlen);
257 void sdsIncrLen(sds s, ssize_t incr);
258 sds sdsRemoveFreeSpace(sds s);
259 size_t sdsAllocSize(sds s);
260 void *sdsAllocPtr(sds s);
261 
262 /* Export the allocator used by SDS to the program using SDS.
263  * Sometimes the program SDS is linked to, may use a different set of
264  * allocators, but may want to allocate or free things that SDS will
265  * respectively free or allocate. */
266 void *sds_malloc(size_t size);
267 void *sds_realloc(void *ptr, size_t size);
268 void sds_free(void *ptr);
269 
270 #ifdef REDIS_TEST
271 int sdsTest(int argc, char *argv[]);
272 #endif
273 
274 #endif
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