【Redis】Redis数据结构—

【Redis】Redis数据结构——链表

news2024/12/23 15:31:00

【Redis】Redis数据结构——链表

注意事项：

本文第三点redis中操作列表的相关命令可参考博文：

【Redis】Redis基础命令集详解_Etui۹(･༥･´)و ̑̑的博客-CSDN博客

本文参考内容如下：

1、Redis数据结构——链表 - 随心所于 - 博客园 (cnblogs.com)

2、《Redis设计与实现》（黄健宏·著）第3章链表

本文仅供学习交流使用！

1、Redis中的链表

链表在Redis中的应用非常广泛，列表键的底层实现之一就是链表。当一个列表包含了数量较多的元素，又或者列表中包含的元素为较长的字符串，Redis就会使用链表作为列表键的底层实现。

例如，以下展示的 integers 列表键包含了从 1 到 1024 共一千零二十四个整数：

redis> LLEN integers
(integer) 1024

redis> LRANGE integers 0 10
1) "1"
2) "2"
3) "3"
4) "4"
5) "5"
6) "6"
7) "7"
8) "8"
9) "9"
10) "10"
11) "11"

integers 列表键的底层实现就是一个链表，链表中的每个节点都保存了一个整数值。

2、链表与链表节点的实现

每个链表节点使用一个 listNode 结构来表示：

typedef struct listNode {

    // 前置节点
    struct listNode *prev;

    // 后置节点
    struct listNode *next;

    // 节点的值
    void *value;

} listNode;

多个 listNode 可以通过 prev 和 next 指针组成双端链表，如图所示。

虽然仅仅使用多个 listNode 结构就可以组成链表，但使用 adlist.h/list 来持有链表的话，操作起来会更方便：

typedef struct list {

    // 表头节点
    listNode *head;

    // 表尾节点
    listNode *tail;

    // 链表所包含的节点数量
    unsigned long len;

    // 节点值复制函数
    void *(*dup)(void *ptr);

    // 节点值释放函数
    void (*free)(void *ptr);

    // 节点值对比函数
    int (*match)(void *ptr, void *key);

} list;

list 结构为链表提供了表头指针 head 、表尾指针 tail ，以及链表长度计数器 len ，而 dup 、 free 和 match 成员则是用于实现多态链表所需的类型特定函数：

dup 函数用于复制链表节点所保存的值；
free 函数用于释放链表节点所保存的值；
match 函数则用于对比链表节点所保存的值和另一个输入值是否相等。

下图是由一个 list 结构和三个 listNode 结构组成的链表：

Redis 的链表实现的特性可以总结如下：

双向：链表节点带有 prev 和 next 指针，获取某个节点的前置节点和后置节点的复杂度都是 O(1) 。
无环：表头节点的 prev 指针和表尾节点的 next 指针都指向 NULL ，对链表的访问以 NULL 为终点。
带表头指针和表尾指针：通过 list 结构的 head 指针和 tail 指针，程序获取链表的表头节点和表尾节点的复杂度为 O(1) 。
带链表长度计数器：程序使用 list 结构的 len 属性来对 list 持有的链表节点进行计数，程序获取链表中节点数量的复杂度为 O(1) 。
多态：链表节点使用 void* 指针来保存节点值，并且可以通过 list 结构的 dup 、 free 、 match 三个属性为节点值设置类型特定函数，所以链表可以用于保存各种不同类型的值。

3、数组、单链表以及双向无环链表时间复杂度对比

操作\时间复杂度	数组	单链表	双向链表
rpush(从右边添加元素)	O(1)	O(1)	O(1)
lpush(从左边添加元素)	0(N)	O(1)	O(1)
lpop (从右边删除元素)	O(1)	O(1)	O(1)
rpop (从左边删除元素)	O(N)	O(1)	O(1)
lindex(获取指定索引下标的元素)	O(1)	O(N)	O(N)
len (获取长度)	O(N)	O(N)	O(1)
linsert(向某个元素前或后插入元素)	O(N)	O(N)	O(1)
lrem (删除指定元素)	O(N)	O(N)	O(N)
lset (修改指定索引下标元素)	O(N)	O(N)	O(N)

我们可以看到在列表对象常用的操作中双向链表的优势所在。但双向链表因为使用两个额外的空间存储前驱和后继指针，因此在数据量较小的情况下会造成空间上的浪费(因为数据量小的时候速度上的差别不大，但空间上的差别很大)。这是一个时间换空间还是空间换时间的思想问题，Redis在列表对象中小数据量的时候使用压缩列表作为底层实现，而大数据量的时候才会使用双向无环链表。