redis数据结构-string

redis数据结构-string

redis最常见数据结构之一就是string，当然这不是简单的C字符串，它是一种简单动态字符串，在redis中这种数据类型既能包含C字符串的功能同时又能保持redis的高性能。

• 数据结构
  redis中的string数据结构是一个结构体,在redis 2.8中是这么定义的：

  

  其中len就是对应buff数组中的实际字符串长度也即已使用空间，free就是该buff数组剩余空间大小即未分配空间，单位都是字节，对应的数据结构图如下：
  
  从图可以看到buf中还是遵从C语言字符串风格，使用’\0’来标志字符串结束，但是这个结束符却不算做该字符串对象总长度，len标志了buf的字符串真是长度，这样做避免计算buf字符串长度进行遍历操作，可以很方便的得知该字符串对象长度。

  在redis 4新版本中是这么定义的：
  

  这里区分了sds类型，按照具体的string长度来精确划分使用不同的结构体类型，目的只有一个，那就是为了节省内存空间。比如里面使用的attribute ((packed)),用来告知编译器取消编译器默认内存对齐方式，这里的 packed 是一字节对齐，当然这个使用attribute 是GCC特有语法，GCC编译器是非紧凑模式内存对齐的，此处一字节就成为了紧凑内存对齐了，当然也都是为了速度考虑。
  可以看到该结构体中的几个组成部分：len表示已使用长度，alloc表示总空间大小，在sds.c中还计算了aviallen的大小，这个大小等于alloc-len，flag标志类型，该部分占一个字节，但是只有3个位使用，因为5种类型，3bytes就可以搞定，剩余5bytes是未使用，最后buf就是一个可变长动态数组，用于存储字符串。当然内部还有支持该buf扩容的api函数，以及一系列字符串操作函数。

• 空间分配
  从sds结构体中可以看到有一个buf的指针，指向一个字符串数组，当我们进行redis字符串对象的拷贝，拼接等操作时，可能当前的数组大小并不能满足需要，那么此时就需要考虑使用sds api来实现动态空间分配，这个分配规则如下：

  1.如果修改后的sds结构体中的len大小< 1 MB，那么空闲空间free分配大小则为len大小。
  如果len是5 bytes，free为 0 bytes，想要拼接一个字符串’hello’,那么此时还需要5字节的额外空间来满足需要，那么扩容前整个sds总共大小为：5+0+1=6 bytes，因为buf中还有一字节的’\0’，采用小容量扩容方案扩容后大小为：10+10+1 = 21 bytes。如图：

  

  2.若修改后len > 1 MB，那么空闲空间free则为1 MB。
  在sds.h中可以看到有一个宏定义：

#define SDS_MAX_PREALLOC (1024*1024)

该宏定义定义了最大预分配空间大小为1MB。

• 空间释放
  sds释放空间和大多数经典的数据结构释放方式一样，采用的是惰性释放，buf中释放的空间会放在free中用作下次使用，就像STL中的内存池一样，STL中内存池维持着一个16个大小的链表，有空间释放时就回收放到内存池空闲空间，用作后续空间分配。如将上述中的’hello’字符串删除，那么空间结构变化如下：

  

• 与C语言字符串的比较

  1.获取字符串长度

  1).redis的获取字符串方式：因为sds有一个len字段记录了该字符串的长度，所以很容易以O(1)时间复杂度获取到。

  
  2).而C语言字符串则需要使用strlen函数来遍历字符串计算长度，这样的时间复杂度就是O(n),相比较而言，redis的效率会高很多。

  2.缓冲区安全

  1).redis在进行字符串拼接，拷贝等操作之前会先检查剩余空间大小是否能满足需要，如果不能满足需要则会使用扩容规则来进行扩容，这样不会因为字符串操作空间不足而导致缓冲区溢出，产生安全隐患。
  2).C语言的字符串操作函数进行拷贝和拼接时没有进行安全检测，判断空间是否满足，这样操作可能会导致缓冲区溢出。

  3.字符串操作导致内存分配

  1).redis中修改字符串长度比如进行字符串缩减，使用安全的api来进行内存预估，从而减少内存分配次数。
  2).C语言中字符串在底层实现是一个字符串数组，如果想在该数组中进行删减、替换、填充等操作，有N次操作就会有N次内存重新分配，因为字符串数组必须是连续的。

  4.数据类型

  1).redis的sds的buf可以存储文本和二进制数据。
  2).C语言的字符串只能存储文本。

  5.库函数

  1).redis只可以使用C语言string.h库函数中的一部分函数。
  2).C语言中的库函数都可以用。