前言

​ 了解Redis，都大概知道Redis有5种基本数据类型：字符串(string)、列表(list)、哈希(hash)、集合(set)、有序集合(zset)、5.0中Stream数据类型。但是这些数据类型的底层都是按照对象结构与对应的编码组合而成。这也就是说有的底层数据结构可以是多个数据类型的原因。

介绍

首先看下图（6.0版本）：

​ 从图可以清晰的看出，Redis的底层数据结构是由Redis对象的数据类型以及编码类型来确定的。那么可以从两个角度来进行分析：对象设计机制、编码类型和底层数据结构。

注意：

​ OBJ_ENCODING_ZIPMAP没有出现在图中，因为在redis2.6开始，它不再是任何数据类型的底层结构(虽然还有zipmap.c的代码); OBJ_ENCODING_LINKEDLIST也不支持了，相关代码也删除了。

redisObject对象

​ **在redis的命令中，用于对键进行处理的命令占了很大一部分，而对于键所保存的值的类型（键的类型），键能执行的命令又各不相同。**如： LPUSH 和 LLEN 只能用于列表键, 而 SADD 和 SRANDMEMBER 只能用于集合键, 等等; 另外一些命令, 比如 DEL、 TTL 和 TYPE, 可以用于任何类型的键。但是要正确实现这些命令, 必须为不同类型的键设置不同的处理方式: 比如说, 删除一个列表键和删除一个字符串键的操作过程就不太一样。

​ Redis 必须让每个键都带有类型信息, 使得程序可以检查键的类型, 并为它选择合适的处理方式。操作数据类型的命令除了要对键的类型进行检查之外, 还需要根据数据类型的不同编码进行多态处理.

为了解决以上问题, Redis 构建了自己的类型系统, 这个系统的主要功能包括:

• redisObject 对象.
• 基于 redisObject 对象的类型检查.
• 基于 redisObject 对象的显式多态函数.
• 对 redisObject 进行分配、共享和销毁的机制.

redisObject数据结构

​ redisObject 是 Redis 类型系统的核心, 数据库中的每个键、值, 以及 Redis 本身处理的参数, 都表示为这种数据类型.其中type、encoding和ptr是最重要的三个属性。

/*
 * Redis 对象
 */
typedef struct redisObject {
    // 类型
    unsigned type:4;
    // 编码方式
    unsigned encoding:4;
    // LRU - 24位, 记录最末一次访问时间（相对于lru_clock）; 或者 LFU（最少使用的数据：8位频率，16位访问时间）
    unsigned lru:LRU_BITS; // LRU_BITS: 24
    // 引用计数
    int refcount;
    // 指向底层数据结构实例
    void *ptr;
} robj;

• type记录了对象所保存的值的类型

  /*
  * 对象类型
  */
  #define OBJ_STRING 0 // 字符串
  #define OBJ_LIST 1 // 列表
  #define OBJ_SET 2 // 集合
  #define OBJ_ZSET 3 // 有序集
  #define OBJ_HASH 4 // 哈希表
  

• encoding记录了对象所保存的值的编码，它的值可能是以下常量中的一个：

  /*
  * 对象编码
  */
  #define OBJ_ENCODING_RAW 0     /* Raw representation */
  #define OBJ_ENCODING_INT 1     /* Encoded as integer */
  #define OBJ_ENCODING_HT 2      /* Encoded as hash table */
  #define OBJ_ENCODING_ZIPMAP 3  /* 注意：版本2.6后不再使用. */
  #define OBJ_ENCODING_LINKEDLIST 4 /* 注意：不再使用了，旧版本2.x中String的底层之一. */
  #define OBJ_ENCODING_ZIPLIST 5 /* Encoded as ziplist */
  #define OBJ_ENCODING_INTSET 6  /* Encoded as intset */
  #define OBJ_ENCODING_SKIPLIST 7  /* Encoded as skiplist */
  #define OBJ_ENCODING_EMBSTR 8  /* Embedded sds string encoding */
  #define OBJ_ENCODING_QUICKLIST 9 /* Encoded as linked list of ziplists */
  #define OBJ_ENCODING_STREAM 10 /* Encoded as a radix tree of listpacks */
  

• ptr是一个指针，指向实际保存值的数据结构，这个数据结构由type和encoding属性决定。举个例子， 如果一个redisObject 的type 属性为OBJ_LIST ， encoding 属性为OBJ_ENCODING_QUICKLIST ，那么这个对象就是一个Redis 列表（List)，它的值保存在一个QuickList的数据结构内，而ptr 指针就指向quicklist的对象。这种设计模式类同Java的策略模式一样。

• lru属性: 记录了对象最后一次被命令程序访问的时间

​ 空转时长：当前时间减去键的值对象的lru时间（对象最后一次被命令程序访问的时间），就是该键的空转时长。Object idletime命令可以打印出给定键的空转时长。

​ 如果服务器打开了maxmemory选项，并且服务器用于回收内存的算法为volatile-lru或者allkeys-lru，那么当服务器占用的内存数超过了maxmemory选项所设置的上限值时，空转时长较高的那部分键会优先被服务器释放，从而回收内存。

命令的类型检查和多态

当执行一个处理数据类型命令的时候，redis执行以下步骤

• 根据给定的key，在数据库字典中查找和他相对应的redisObject，如果没找到，就返回NULL；
• 检查redisObject的type属性和执行命令所需的类型是否相符，如果不相符，返回类型错误；
• 根据redisObject的encoding属性所指定的编码，选择合适的操作函数来处理底层的数据结构；
• 返回数据结构的操作结果作为命令的返回值。

对象共享

​ redis一般会把一些常见的值放到一个共享对象中，这样可使程序避免了重复分配的麻烦，也节约了一些CPU时间。

​ **Redis 内部维护[0-9999]的整数对象池。创建大量的整数类型redisObject 存在内存开销，每个redisObject内部结构至少占16字节，甚至超过了整数自身空间消耗。所以Redis内存维护一个[0-9999]的整数对象池，用于节约内存。 除了整数值对象，其他类型如list,hash,set,zset内部元素也可以使用整数对象池。**整数对象池在 Redis 中通过变量 REDIS_SHARED_INTEGERS 定义，不能通过配置修改。

​ Redis 将所有维护的共享对象都放在 sharedObjectsStruct 结构体中，Redis 会把一些常见的给客户端回复的字符串共享起来，以此来节省内存。例如：OK、-ERR、QUEUED等响应字符串。Redis 只对包含整数值的字符串、响应字符串包装成对象进行共享。

引用计数以及对象的消毁

​ redisObject中有refcount属性，是对象的引用计数，显然计数0那么就是可以回收。

• 每个redisObject结构都带有一个refcount属性，指示这个对象被引用了多少次；
• 当新创建一个对象时，它的refcount属性被设置为1；
• 当对一个对象进行共享时，redis将这个对象的refcount加一；
• 当使用完一个对象后，或者消除对一个对象的引用之后，程序将对象的refcount减一；
• 当对象的refcount降至0 时，这个RedisObject结构，以及它引用的数据结构的内存都会被释放。

小结

​ redis是key-value结构，可以把value看作redisObject对象。它通过使用自己实现的对象机制（redisObject)来实现类型判断、命令多态和基于引用次数的垃圾回收；redis会预分配一些常用的数据对象，并通过共享这些对象来减少内存占用，和避免频繁的为小对象分配内存。

​ 而Redis的垃圾回收也只是针对共享对象。而共享对象是在共享字符串第一次使用的时候进行包装成共享对象，并添加引用次数。后续不再引用的时候，那么就会进行内存回收。

参考

Java全栈知识体系

底层数据结构详解

​ 通过Redis的对象机制可以大概知道Redis的底层数据结构有：

• 简单动态字符串 - sds
• 压缩列表 - ZipList
• 快表 - QuickList
• 字典/哈希表 - Dict
• 整数集 - IntSet
• 跳表 - ZSkipList

一、简单动态字符串 - sds

​ SDS这是一种用于存储二进制数据的一种结构, 具有动态扩容的特点。其实现位于src/sds.h与src/sds.c中，SDS分为sdshdr、 buf、\0。

​ 其中sdshdr是头部, buf是真实存储用户数据的地方，而\0是为了确定所谓的buf。SDS有五种不同的头部. 其中sdshdr5实际并未使用到. 所以实际上有四种不同的头部,

内部属性说明如下:

• len 保存了SDS保存字符串的长度
• buf[] 数组用来保存字符串的每个元素
• alloc分别以uint8, uint16, uint32, uint64表示整个SDS, 除过头部与末尾的\0, 剩余的字节数.
• flags 始终为一字节, 以低三位标示着头部的类型, 高5位未使用.

为什么要使用SDS？

**1）常数复杂度获取字符串长度。**C语言，只能通过遍历才能获取到字符串的长度，现在只需要获取属性就能知道字符串的长度。

**2）杜绝缓冲池溢出。**对于 SDS 数据类型，在进行字符修改的时候，会首先根据记录的 len 属性检查内存空间是否满足需求，如果不满足，会进行相应的空间扩展，然后在进行修改操作，所以不会出现缓冲区溢出。

3）减少修改字符串时的内存重新分配次数。

​ C语言由于不记录字符串的长度，所以如果要修改字符串，必须要重新分配内存（先释放再申请），因为如果没有重新分配，会造成内存泄露。而对于SDS，由于len属性和alloc属性的存在，对于修改字符串SDS实现了空间预分配和惰性空间释放两种策略：

1、空间预分配：对字符串进行空间扩展的时候，扩展的内存比实际需要的多，这样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。

2、惰性空间释放：对字符串进行缩短操作时，程序不会立即把缩短之后后多余的字节进行清理，而是使用 alloc 属性将这些字节的数量记录下来，等待后续使用。

**4）二进制安全。**C语言的受限，不能确定准确的结束（比如图片、存储空字符串），可以通过长度来判断字符串是否结束。

5）兼容部分 C 字符串函数。虽然 SDS 是二进制安全的，但是一样遵从每个字符串都是以空字符串结尾的惯例，这样可以重用 C 语言库<string.h> 中的一部分函数。

小结

​ redis的字符串表示为sds， 它是Redis 底层所使用的字符串表示，它被用在几乎所有的Redis 模块中。SDS 除了保存数据库中的字符串值以外，SDS 还可以作为缓冲区（buffer）：包括 AOF 模块中的AOF缓冲区以及客户端状态中的输入缓冲区。

二、压缩列表 - ZipList

​ ziplist是为了提高存储效率而设计的一种特殊编码的双向链表。它可以存储字符串或者整数，存储整数时是采用整数的二进制而不是字符串形式存储。它能在O(1)的时间复杂度下完成list两端的push和pop操作。但是因为每次操作都需要重新分配ziplist的内存，所以实际复杂度和ziplist的内存使用量相关。

​ 整个ziplist在内存中的存储格式：zlbytes（4byte）、zltail（4byte）、zllen（2byte）、entry、zlend（1byte）。

• zlbytes字段的类型是uint32_t, 这个字段中存储的是整个ziplist所占用的内存的字节数
• zltail字段的类型是uint32_t, 它指的是ziplist中最后一个entry的偏移量. 用于快速定位最后一个entry, 以快速完成pop等操作
• zllen字段的类型是uint16_t, 它指的是整个ziplit中entry的数量. 这个值只占2bytes（16位）: 如果ziplist中entry的数目小于65535(2的16次方), 那么该字段中存储的就是实际entry的值. 若等于或超过65535, 那么该字段的值固定为65535, 但实际数量需要一个个entry的去遍历所有entry才能得到.
• zlend是一个终止字节, 其值为全F, 即0xff. ziplist保证任何情况下, 一个entry的首字节都不会是255

​ entry的结构有两种结构：

第一种情况：一般结构 <prevlen> <encoding> <entry-data>

prevlen：前一个entry的大小；

encoding：不同的情况下值不同，用于表示当前entry的类型和长度；

entry-data：真是用于存储entry表示的数据；

第二种情况：在entry中存储的是int类型时，encoding和entry-data会合并在encoding中表示，此时没有entry-data字段；

redis中，在存储数据时，会先尝试将string转换成int存储，节省空间；

此时entry结构：`

​ ziplist是按照实际的内容大小存储，所以增加encoding字段，针对不同的encoding来细化存储大小。但是ziplist中每个data占据的内存不一样，所以为了解决遍历，需要增加记录上一个元素的length，所以增加了prelen字段。

ziplist的缺点

​ ziplist不预留内存空间, 并且在移除结点后, 也是立即缩容, 这代表每次写操作都会进行内存分配操作。如果扩容, 导致结点占用的内存增长, 并且超过254字节的话, 可能会导致链式反应: 其后一个结点的entry.prevlen需要从一字节扩容至五字节. 最坏情况下, 第一个结点的扩容, 会导致整个ziplist表中的后续所有结点的entry.prevlen字段扩容.

三、快表 - QuickList

​ quicklist这个结构是Redis在3.2版本后新加的, 之前的版本是list(即linkedlist)， 用于String数据类型中。它是一种以ziplist为结点的双端链表结构. 宏观上, quicklist是一个链表, 微观上, 链表中的每个结点都是一个ziplist。

四、字典/哈希表 - Dict

​ Dict本质上就是哈希表，可以以此维度来进行理解。哈希表是由数组 table 组成，table 中每个元素都是指向 dict.h/dictEntry 结构，key 用来保存键，val 属性用来保存值，值可以是一个指针，也可以是uint64_t整数，也可以是int64_t整数。

​ 而对于哈希冲突，采用的便是链地址法解决冲突，通过next这个指针可以将多个哈希值相同的键值对连接在一起，用来解决哈希冲突。

typedef struct dictht{
    //哈希表数组
    dictEntry **table;
    //哈希表大小
    unsigned long size;
    //哈希表大小掩码，用于计算索引值
    //总是等于 size-1
    unsigned long sizemask;
    //该哈希表已有节点的数量
    unsigned long used;
 
}dictht
  
typedef struct dictEntry{
     //键
     void *key;
     //值
     union{
          void *val;
          uint64_tu64;
          int64_ts64;
     }v;
 
     //指向下一个哈希表节点，形成链表
     struct dictEntry *next;
}dictEntry

​ 当哈希表保存的键值对太多或者太少时，就要通过 rerehash(重新散列）来对哈希表进行相应的扩展或者收缩。

触发扩容的条件：

1、服务器目前没有执行 BGSAVE 命令或者 BGREWRITEAOF 命令，并且负载因子大于等于1。

2、服务器目前正在执行 BGSAVE 命令或者 BGREWRITEAOF 命令，并且负载因子大于等于5。

ps：负载因子 = 哈希表已保存节点数量 / 哈希表大小。

五、整数集 - IntSet

​ 整数集合（intset）是集合类型的底层实现之一，当一个集合只包含整数值元素，并且这个集合的元素数量不多时，Redis 就会使用整数集合作为集合键的底层实现。

typedef struct intset {
    uint32_t encoding;
    uint32_t length;
    int8_t contents[];
} intset;

encoding 表示编码方式，的取值有三个：INTSET_ENC_INT16, INTSET_ENC_INT32, INTSET_ENC_INT64

length 代表其中存储的整数的个数

contents 指向实际存储数值的连续内存区域, 就是一个数组；整数集合的每个元素都是 contents 数组的一个数组项（item），各个项在数组中按值得大小从小到大有序排序，且数组中不包含任何重复项。（虽然 intset 结构将 contents 属性声明为 int8_t 类型的数组，但实际上 contents 数组并不保存任何 int8_t 类型的值，contents 数组的真正类型取决于 encoding 属性的值）

整数集合的升级

​ 当在一个int16类型的整数集合中插入一个int32类型的值，整个集合的所有元素都会转换成32类型，只会升级不会进行降级。 整个过程有三步：

• 根据新元素的类型（比如int32），扩展整数集合底层数组的空间大小，并为新元素分配空间。
• 将底层数组现有的所有元素都转换成与新元素相同的类型， 并将类型转换后的元素放置到正确的位上， 而且在放置元素的过程中， 需要继续维持底层数组的有序性质不变。
• 最后改变encoding的值，length+1。

六、跳表 - ZSkipList

前言

​ 跳跃表结构在 Redis 中的运用场景只有一个，那就是作为有序列表 (Zset) 的使用。跳跃表的性能可以保证在查找，删除，添加等操作的时候在对数期望时间内完成，这个性能是可以和平衡树来相比较的，而且在实现方面比平衡树要优雅，这就是跳跃表的长处。跳跃表的缺点就是需要的存储空间比较大，属于利用空间来换取时间的数据结构。

结构

zskiplist的核心设计要点

• 头节点不持有任何数据, 且其level[]的长度为32
• 每个结点
  • ele字段，持有数据，是sds类型
  • score字段, 其标示着结点的得分, 结点之间凭借得分来判断先后顺序, 跳跃表中的结点按结点的得分升序排列.
  • backward指针, 这是原版跳跃表中所没有的. 该指针指向结点的前一个紧邻结点.
  • level字段, 用以记录所有结点(除过头节点外)；每个结点中最多持有32个zskiplistLevel结构. 实际数量在结点创建时, 按幂次定律随机生成(不超过32). 每个zskiplistLevel中有两个字段
    • forward字段指向比自己得分高的某个结点(不一定是紧邻的), 并且, 若当前zskiplistLevel实例在level[]中的索引为X, 则其forward字段指向的结点, 其level[]字段的容量至少是X+1. 这也是上图中, 为什么forward指针总是画的水平的原因.
    • span字段代表forward字段指向的结点, 距离当前结点的距离. 紧邻的两个结点之间的距离定义为1.

小结

​ Redis的数据结构是兼容C语言的语法，毕竟底层都是C写的。所以所有的数据类型都会有长度说明。另外为了尽可能的优化内存使用，加入了编码说明，不同的数据、不同的编码、存储不一样，占用空间不一样。当然越复杂的结构，当然操作复杂度相对更高。

底层数据结构

redis对象与编码(底层结构)对应关系

字符串对象

​ 字符串是Redis最基本的数据类型，不仅所有key都是字符串类型，其它几种数据类型构成的元素也是字符串。注意字符串的长度不能超过512M。字符串对象的编码可以是int，raw或者embstr，int 编码是用来保存整数值，而embstr是用来保存短字符串，raw编码是用来保存长字符串。

• int 编码：保存的是可以用 long 类型表示的整数值。
• embstr 编码：保存长度小于44字节的字符串（redis3.2版本之前是39字节，之后是44字节）。
• raw 编码：保存长度大于44字节的字符串（redis3.2版本之前是39字节，之后是44字节）。

列表对象

​ list 列表，它是简单的字符串列表，按照插入顺序排序，你可以添加一个元素到列表的头部（左边）或者尾部（右边），它的底层实际上是个链表结构。

​ 列表对象的编码是quicklist。 (之前版本中有linked和ziplist这两种编码。进一步的, 目前Redis定义的10个对象编码方式宏名中, 有两个被完全闲置了, 分别是: OBJ_ENCODING_ZIPMAP与OBJ_ENCODING_LINKEDLIST。 从Redis的演进历史上来看, 前者是后续可能会得到支持的编码值（代码还在）, 后者则应该是被彻底淘汰了)

哈希对象

​ 哈希对象的键是一个字符串类型，值是一个键值对集合。哈希对象的编码可以是 ziplist 或者 hashtable；对应的底层实现有两种, 一种是ziplist, 一种是dict。另外dict作为哈希对象的底层数据结构时, 键与值均是以sds的形式存储的。

​ 压缩列表是Redis为了节省内存而开发的，是由一系列特殊编码的连续内存块组成的顺序型数据结构，相对于字典数据结构，压缩列表用于元素个数少、元素长度小的场景。其优势在于集中存储，节省空间。

• 编码转换

​ 和上面列表对象使用 ziplist 编码一样，当同时满足下面两个条件时，使用ziplist（压缩列表）编码：

1、列表保存元素个数小于512个

2、每个元素长度小于64字节

​ 不能满足这两个条件的时候使用 hashtable 编码。以上两个条件也可以通过Redis配置文件zset-max-ziplist-entries 选项和 zset-max-ziplist-value 进行修改。

集合对象

​ 集合对象 set 是 string 类型（整数也会转换成string类型进行存储）的无序集合。注意集合和列表的区别：集合中的元素是无序的，因此不能通过索引来操作元素；集合中的元素不能有重复。

• 编码转换

当集合同时满足以下两个条件时，使用 intset 编码：

1、集合对象中所有元素都是整数

2、集合对象所有元素数量不超过512

不能满足这两个条件的就使用 hashtable 编码。第二个条件可以通过配置文件的 set-max-intset-entries 进行配置。

有序集合对象

​ 有序集合对象是有序的。与列表使用索引下标作为排序依据不同，有序集合为每个元素设置一个分数（score）作为排序依据。有序集合的底层实现依然有两种, 一种是使用ziplist作为底层实现, 另外一种比较特殊, 底层使用了两种数据结构: dict与skiplist. 前者对应的编码值宏为ZIPLIST, 后者对应的编码值宏为SKIPLIST。

• 编码转换

当有序集合对象同时满足以下两个条件时，对象使用 ziplist 编码：

1、保存的元素数量小于128；

2、保存的所有元素长度都小于64字节。

不能满足上面两个条件的使用 skiplist 编码。以上两个条件也可以通过Redis配置文件zset-max-ziplist-entries 选项和 zset-max-ziplist-value 进行修改。

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