简单动态字符串

        C语言传统的字符串是使用字符数组表示的，Redis没有直接使用C语言传统的字符串表示，而是构建了一种名为简单动态字符串（simple dynamic string，SDS）的抽象类型，并将SDS作为Redis的默认字符串。

SDS的实现

        SDS使用sds.h/sdshdr结构表示，len表示字符串的长度，free是数组中未使用字节的数量，buf是保存字符串的字节数组。SDS遵循C字符串以空字符结尾的惯例，保存空字符的1字节空间不计算在SDS的len属性里面，并且为空字符分配额外的1字节空间，以及添加空字符到字符串末尾等操作，都是由SDS函数自动完成的，好处是，SDS可以直接重用一部分C字符串函数库里面的函数。

//抽象类型SDS
struct sdshdr  {
    int len;//字符串长度len
    int free;//记录buf数组中未使用字节的数量
    char buf[];//保存字符串的字节数组
};

如图展示了2个SDS示例：

这两个SDS都保存着字符串"Redis"，第一个没有未使用空间，第二个分配了5个字节的未使用空间。

SDS与C字符串的区别

常数复杂度获取字符串长度

        因为C字符串并不记录自身的长度信息，所以为了获取一个C字符串的长度，程序必须遍历整个字符串数组，对遇到的每个字符进行计数，直到遇到代表字符串结尾的空字符为止，这个操作的时间复杂度为O(N)。和C字符串不同，因为SDS在len属性中记录了SDS本身的长度，所以获取一个SDS长度的复杂度仅为O(1)。

杜绝缓冲区溢出

        因为C字符串的长度和底层数组的长度之间存在着这种关联性，所以每次增长或者缩短一个C字符串，程序都总要对保存这个C字符串的数组进行一次内存重分配操作：

• 如果程序执行的是增长字符串的操作，比如拼接操作，那么在执行这个操作之前，程序需要先通过内存重分配来扩展底层数组的空间大小——如果忘了这一步就会产生缓冲区溢出。
• 如果程序执行的是缩短字符串的操作，比如截断操作，那么在执行这个操作之后，程序需要通过内存重分配来释放字符串不再使用的那部分空间——如果忘了这一步就会产生内存泄漏。

与C字符串不同，SDS的空间分配策略完全杜绝了发生缓冲区溢出的可能性：当SDS API需要对SDS进行修改时，API会先检查SDS的空间是否满足修改所需的要求，如果不满足的话，API会自动将SDS的空间扩展至执行修改所需的大小，然后才执行实际的修改操作，所以使用SDS既不需要手动修改SDS的空间大小，也不会出现缓冲区溢出问题。

减少内存重分配次数

        C字符串每次修改都需要重新分配内存，因为内存重分配通常是一个比较耗时的操作：Redis作为数据库，经常被用于速度要求严苛、数据被频繁修改的场合，如果每次修改字符串的长度都需要执行一次内存重分配的话，那么光是执行内存重分配的时间就会占去修改字符串所用时间的一大部分，如果这种修改频繁地发生的话，可能还会对性能造成影响。因此SDS实现了空间预分配和惰性空间释放两种优化策略。

空间预分配

        空间预分配用于优化SDS的字符串增长操作：当SDS的API对一个SDS进行修改，并且需要对SDS进行空间扩展的时候，程序不仅会为SDS分配修改所必须要的空间，还会为SDS分配额外的未使用空间。未使用空间的大小和字符串的大小相等，最大为1MB，即字符串大小大于1MB时，预留1MB的未使用空间。当预留的空间足够字符串的增长需求时，就无需进行空间重分配，通过空间预分配策略，Redis可以减少连续执行字符串增长操作所需的内存重分配次数。

惰性空间释放

        惰性空间释放用于优化SDS的字符串缩短操作：当SDS的API需要缩短SDS保存的字符串时，程序并不立即使用内存重分配来回收缩短后多出来的字节，而是使用free属性将这些字节的数量记录起来，并等待将来使用。SDS也提供了相应的API，让我们可以在有需要时，真正地释放SDS的未使用空间，所以不用担心惰性空间释放策略会造成内存浪费。

二进制安全

        C字符串中的字符必须符合某种编码（比如ASCII），并且除了字符串的末尾之外，字符串里面不能包含空字符，否则最先被程序读入的空字符将被误认为是字符串结尾，这些限制使得C字符串只能保存文本数据，而不能保存像图片、音频、视频、压缩文件这样的二进制数据。为了确保Redis可以适用于各种不同的使用场景，SDS的API都是二进制安全的，所有SDS API都会以处理二进制的方式来处理SDS存放在buf数组里的数据，程序不会对其中的数据做任何限制、过滤、或者假设，数据在写入时是什么样的，它被读取时就是什么样。

总结

        SDS是专门为Redis设计的字符串表示结构，相比于传统C字符串，SDS在动态修改方面具有更优秀的性能，通过空间预分配和惰性空间释放两种优化策略减少内存重分配次数，这是一种空间换时间的思想。自动的内存分配也更加安全，杜绝缓冲区溢出的风险。功能上也比传统C字符串更强大，不仅能保存文本数据还支持二进制数据。

参考

《Redis设计与实现》