Redis 存储结构设计

Redis是一个包含了很多Key-Value对的大字典，这个字典支持的Value非常丰富，可以为字符串、哈希表、列表、集合和有序集，基于这些类型丰富的value，扩展出了功能强大的操作，例如hmset、lpush、sadd等


1、字典
字典是Redis最基础的数据结构，一个字典即一个DB，Redis支持多DB
Redis字典采用Hash表实现，针对碰撞问题，其采用的方法为“链地址法”，即将多个哈希值相同的节点串连在一起， 从而解决冲突问题。
“链地址法”的问题在于当碰撞剧烈时，性能退化严重，例如：当有n个数据，m个槽位，如果m=1，则整个Hash表退化为链表，查询复杂度O(n)
为了避免Hash碰撞攻击，Redis随机化了Hash表种子

Redis的方案是“双buffer”，正常流程使用一个buffer，当发现碰撞剧烈（判断依据为当前槽位数和Key数的对比），分配一个更大的buffer，然后逐步将数据从老的buffer迁移到新的buffer。

2、Redis中的哈希表

前面提到Redis是个key/value存储系统，学过数据结构的人都知道，key/value最简单的数据结果就是哈希表（当然，还有其他方式，如B-树，二叉平衡树等），hash表的性能取决于两个因素：hash表的大小和解决冲突的方法。这两个是矛盾的：hash表大，则冲突少，但是用内存过大；而hash表小，则内存使用少，但冲突多，性能低。一个好的hash表会权衡这两个因素，使内存使用量和性能均尽可能低。在Redis中，哈希表是所有其他数据结构的基础，对于其他所有数据结构，如：string，set，sortedset，均是保存到hash表中的value中的，这个可以很容易的通过设置value的类型为void*做到。本文详细介绍了Redis中hash表的设计思想和实现方法。

3、Redis哈希表的设计思想

下图是从淘宝《Redis内存存储结构分析》中摘得的图片，主要描述Redis中hash表的组织方式。

在Redis中，hash表被称为字典（dictionary），采用了典型的链式解决冲突方法，即：当有多个key/value的key的映射值（每对key/value保存之前，会先通过类似HASH(key) MOD N的方法计算一个值，以便确定其对应的hash table的位置）相同时，会将这些value以单链表的形式保存；同时为了控制哈希表所占内存大小，redis采用了双哈希表(ht[2])结构，并逐步扩大哈希表容量（桶的大小）的策略，即：刚开始，哈希表ht[0]的桶大小为4，哈希表ht[1]的桶大小为0，待冲突严重（redis有一定的判断条件）后，ht[1]中桶的大小增为ht[0]的两倍，并逐步(注意这个词：”逐步”)将哈希表ht[0]中元素迁移（称为“再次Hash”）到ht[1]，待ht[0]中所有元素全部迁移到ht[1]后，再将ht[1]交给ht[0]（这里仅仅是C语言地址交换），之后重复上面的过程。

Redis字典结构如下：

[cpp] view plaincopy

1. typedef struct dict {  
2.     dictType *type;   
3.     void *privdata;   
4.     dictht ht[2]; //双buffer  
5.     int rehashidx;   
6.     int iterators;  
7. } dict;  
8.   
9. typedef struct dictht {  
10.     dictEntry **table; //hash链表  
11.     unsigned long size;  
12.     unsigned long sizemask;  
13.     unsigned long used;  
14. } dictht;  
15.   
16. //数据节点<K,V>  
17. typedef struct dictEntry {  
18.     void *key;  
19.     union {  
20.         void *val;  
21.         uint64_t u64;  
22.         int64_t s64;  
23.     } v;  
24.     struct dictEntry *next;  
25. } dictEntry;  

redisObject是真正存储redis各种类型的结构，其内容如下：

[cpp] view plaincopy

1. typedef struct redisObject {  
2.     unsigned type:4; //逻辑类型  
3.     unsigned notused:2;     /* Not used */  
4.     unsigned encoding:4; //物理存储类型  
5.     unsigned lru:22;        /* lru time (relative to server.lruclock) */  
6.     int refcount;  
7.     void *ptr;  //具体数据  
8. } robj;  

其中type即redis支持的逻辑类型，包括：

[cpp] view plaincopy

1. #define REDIS_STRING 0  
2. #define REDIS_LIST 1  
3. #define REDIS_SET 2  
4. #define REDIS_ZSET 3  
5. #define REDIS_HASH 4  

enconding为物理存储方式，一种逻辑类型可以使用不同的存储方式，包括：

[cpp] view plaincopy

1. #define REDIS_ENCODING_RAW 0     /* Raw representation */  
2. #define REDIS_ENCODING_INT 1     /* Encoded as integer */  
3. #define REDIS_ENCODING_HT 2      /* Encoded as hash table */  
4. #define REDIS_ENCODING_ZIPMAP 3  /* Encoded as zipmap */  
5. #define REDIS_ENCODING_LINKEDLIST 4 /* Encoded as regular linked list */  
6. #define REDIS_ENCODING_ZIPLIST 5 /* Encoded as ziplist */  
7. #define REDIS_ENCODING_INTSET 6  /* Encoded as intset */  
8. #define REDIS_ENCODING_SKIPLIST 7  /* Encoded as skiplist */  

字符串

Redis的所有的key都采用字符串保存，另外，Redis也支持字符串类型的value。
字符串类型即前文中看到的REDIS_STRING，其物理实现（enconding）可以为 REDIS_ENCODING_INT或REDIS_ENCODING_RAW 
REDIS_ENCODING_INT保存为long型，即redis会尝试将一个字符串转化为Long，可以转换的话，即保存为REDIS_ENCODING_INT
否则，Redis会将REDIS_STRING保存为字符串类型，即REDIS_ENCODING_RAW
字符串类型在redis中用sds封装，主要为了解决长度计算和追加效率的问题，其定义如下：

[cpp] view plaincopy

1. typedef char *sds;  
2. struct sdshdr {  
3.     int len; <span style="font-family: Arial, Helvetica, sans-serif;">// buf 已占用长度</span>   
4.     int free; <span style="font-family: Arial, Helvetica, sans-serif;">// buf 剩余可用长度</span>    
5.     char buf[];<span style="font-family: Arial, Helvetica, sans-serif;">// 柔性数组，实际保存字符串数据的地方</span>  
6. };  
7. static inline size_t sdslen(const sds s) {  
8.     struct sdshdr *sh = (void*)(s-(sizeof(struct sdshdr)));  
9.     return sh->len;  
10. }  
11. static inline size_t sdsavail(const sds s) {  
12.     struct sdshdr *sh = (void*)(s-(sizeof(struct sdshdr)));  
13.     return sh->free;  
14. }  

有时间的同学可以详细看下Sds.h和Sds.c两个文件，还是很有意思的。

Hash表

Redis支持Value为Hash表，其逻辑类型为REDIS_HASH，REDIS_HASH可以有两种encoding方式： REDIS_ENCODING_ZIPLIST 和 REDIS_ENCODING_HT
REDIS_ENCODING_HT即前文提到的字典的实现
REDIS_ENCODING_ZIPLIST即ZIPLIST，是一种双端列表，且通过特殊的格式定义，压缩内存适用，以时间换空间。ZIPLIST适合小数据量的读场景，不适合大数据量的多写/删除场景
Hash表默认的编码格式为REDIS_ENCODING_ZIPLIST，在收到来自用户的插入数据的命令时：
1,调用hashTypeTryConversion函数检查键/值的长度大于 配置的hash_max_ziplist_value（默认64）
2,调用hashTypeSet判断节点数量大于 配置的hash_max_ziplist_entries （默认512）

以上任意条件满足则将Hash表的数据结构从REDIS_ENCODING_ZIPLIST转为REDIS_ENCODING_HT

列表

Redis支持Value为一个列表，其逻辑类型为REDIS_SET，REDIS_SET有两种encoding方式，REDIS_ENCODING_ZIPLIST和REDIS_ENCODING_LINKEDLIST
REDIS_ENCODING_ZIPLIST同上
REDIS_ENCODING_LINKEDLIST是比较正统双端链接表的实现:

[cpp] view plaincopy

1. typedef struct listNode {  
2.     struct listNode *prev;  
3.     struct listNode *next;  
4.     void *value;  
5. } listNode;  

列表的默认编码格式为REDIS_ENCODING_ZIPLIST，当满足以下条件时，编码格式转换为REDIS_ENCODING_LINKEDLIST
1,元素大小大于list-max-ziplist-value（默认64）
2,元素个数大于 配置的list-max-ziplist-entries（默认512）

集合

Redis支持Value为集合，其逻辑类型为REDIS_SET，REDIS_SET有两种encoding方式： REDIS_ENCODING_INTSET 和 REDIS_ENCODING_HT（同上）
集合的元素类型和数量决定了encoding方式，默认采用REDIS_ENCODING_INTSET ，当满足以下条件时，转换为REDIS_ENCODING_HT：
1. 元素类型不是整数
2. 元素个数超过配置的“set-max-intset-entries”（默认512）
REDIS_ENCODING_INTSET是一个有序数组，使用的数据结构如下：

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1. typedef struct intset {  
2.     uint32_t encoding;  //3种类型：INTSET_ENC_INT16、INTSET_ENC_INT32、INTSET_ENC_INT64  
3.     uint32_t length; //元素个数  
4.     int8_t contents[]; //元素实际存放的位置，按序排放  
5. } intset;  

Redis会根据整数大小选择最适合的类型，当发生变更时，进行调整

有序集

Redis支持Value为有序集合，其逻辑类型为REDIS_ZSET，REDIS_ZSET有两种encoding方式： REDIS_ENCODING_ZIPLIST（同上）和 REDIS_ENCODING_SKIPLIST
REDIS_ENCODING_SKIPLIST使用的数据结构如下，其同事：

[cpp] view plaincopy

1. typedef struct zset {  
2.     dict *dict;  //Hash字典（同前文）  
3.     zskiplist *zsl; //跳跃表  
4. } zset;  

由于有续集每一个元素包括：<member，score>两个属性，为了保证对member和score都有很好的查询性能，REDIS_ENCODING_SKIPLIST同时采用字典和有序集两种数据结构来保存数据元素。字典和有序集通过指针指向同一个数据节点来避免数据冗余。
字典中使用member作为key，score作为value，从而保证在O(1)时间对member的查找
跳跃表基于score做排序，从而保证在 O(logN) 时间内完成通过score对memer的查询
有续集默认也是采用REDIS_ENCODING_ZIPLIST的实现，当满足以下条件时，转换为REDIS_ENCODING_SKIPLIST
1. 数据元素个数超过配置的zset_max_ziplist_entries 的值（默认值为 128 ）
2. 新添加元素的 member 的长度大于配置的 zset_max_ziplist_value 的值（默认值为 64 ）

总结

针对同一种数据类型，Redis会根据元素类型/大小/个数采用不同的编码方式，不同的编码方式在内存使用效率/查询效率上差距巨大，在遇到内存问题时，可以尝试下修改相关参数：

[plain] view plaincopy

1. hash-max-ziplist-entries 512  
2. hash-max-ziplist-value 64  
3. list-max-ziplist-entries 512  
4. list-max-ziplist-value 64  
5. set-max-intset-entries 512  
6. zset-max-ziplist-entries 128  
7. zset-max-ziplist-value 64