面试官：说说Redis的SDS底层实现原理

前言

该文章已面试场景进行叙述，场景纯属编造，请勿当真！

大家好，我是徐志斌。

现在找工作真的好难，今天我早早的来到了面试现场，这家公司的HR小姐姐也是很热情的接待了我。

正当在会议室中沉浸在和HR姐姐聊天的喜悦中时，沉重的脚步声慢慢走来。只见一个身穿格子衫的秃头大哥抱着笔记本走进来，一看就是公司的技术大佬，我就知道今天的面试怕是凶多吉少。

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我：我以为能问多难得问题，这种问题我还不是手到擒来
面试官：口气真是不小，老夫从业20年也不敢简历写精通Redis

Redis数据库常用的基本类型有5种，分别是：

Redis的String类型使用的场景很多，例如：

使用起来非常简单高效，我个人在开发过程中，经常会使用到String类型结构进行功能实现，比如说存储验证码、用户身份信息等。

我：怎么突然就问到底层实现了？你这个跨度真是够离谱的！
面试官：汗流浃背了吧，老弟！

Redis数据库虽然是用C语言开发的，但是String数据类型的底层并不是直接使用C语言的字符串结构（以空格结尾的字符数组），而是使用简单动态字符串（SDS），这个类型可以被修改。

AOF的缓冲区和客户端状态中的输入缓冲区都是由SDS实现的。

我：虎躯一震，心里慌了但又故作镇定，毕竟这块我曾经还是认真学习过

SDS结构是这样的，C语言代码如下（我随手拿起笔写出下面代码）：

struct sdshdr {
	// SDS保存字符串长度（buf数组已使用字节数量）
	int len;
	// buf数组未使用字节数量
	int free;
	// buf字节数组，用于存储SDS字符串
	char buf[];
}

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图中也可以看到，buf数组最后一个字节存储的是'\0'，但这并不算入SDS的len属性。SDS函数自动为该字节分配额外空间，并且添加到数组尾部，对于用户来说是无感知的。

好处：SDS可直接重用部分C语言字符串函函数（直接使用printf函数，无需为SDS编写专门打印的函数），后续5.5章节会提到。

我：呸呸呸！真该死啊，提C语言干嘛，这不给自己挖坑？

这个就说来话长了！

我先说C字符串吧，C语言的字符串是通过长度为N + 1的字符数组来表示，数组尾部总是空字符'\0'，但是不满足Redis对字符串的高要求：安全、效率、功能等（这就是为什么Redis使用SDS的原因），C字符串结构：
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它俩之间的主要区别有以下5点：

C语言字符串不记录自身长度信息，所以想要获取长度必须遍历整个字符串，该操作的时间复杂度为O(N)。

SDS不需要从头遍历获取长度，之前SDS图中也提到有len属性，这样可以直接获取SDS的长度，获取操作时间复杂度为O(1)。设置、更新SDS长度操作是由SDS API自动完成。

Redis使用SDS将获取字符串长度所需要的复杂度从O(N)——>O(1)，这样就不会影响Redis的性能。Redis的Key底层就是通过SDS来实现的，所以对一个非常长的字符串多次进行STRLEN命令也不会影响系统性能！

C语言字符串不记录自身长度信息，很容易造成缓冲区溢出。
例如：程序内存中存在两个相邻的C字符串，如图：
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此时将S1内容修改为Redis Cluster，并且修改前并没有为S1分配足够的空间，此时修改后的结果如下：

SDS空间分配策略就不会出现上述情况：当SDS API需要对SDS进行修改，API会先检查SDS空间是否满足修改要求。如果不满足：SDS API自动将SDS空间扩展至修改所需的大小，SDS API中的sdscat函数就是这样的。

正如之前所说，SDS不需要手动修改SDS空间大小，并且不会出现缓冲区溢出问题。

C语言字符串增长、缩短操作都需要进行一次内存重分配：

但是内存重分配算法复杂，并且可能需要执行系统调用，所以是非常耗时的操作，但是Redis对性能要求是非常苛刻的，如果每次修改字符串长度都需要进行内存重分配，就会对性能造成极大的影响。

SDS为了避免这种情况，并不像C字符串那样长度一定是字符串数 + 1，在SDS中buf数组可以包含未使用字节空间，这个字节空间数量就是SDS的free属性，通过未使用字节空间实现了空间预分配和惰性空间释放两种优化策略！

我先说说空间预分配：

听名字也很好理解啦，就是SDS API对一个SDS进行扩容时，不仅分配修改所需必要空间，还会额外分配未使用的空间。

如果修改后SDS的len < 1MB，那么会分配和len等大的free空间，例如：修改后SDS的len为13字节，那么free也为13字节，buf[]长度为：13 + 13 + 1 = 27字节。
如果修改后SDS的len ≥ 1MB，那么会分配1MB的free空间，例如：修改后SDS的len为30MB，那么会分配1MB的未使用空间，此时SDS的buf[]长度为：30MB + 1MB + 1字节。