Redis原理篇

Redis数据结构

动态字符串SDS

Redis构建了一种新的字符串结构，称为简单动态字符串（Simple Dynamic String），简称SDS。

Redis是C语言实现的，其中SDS是一个结构体，源码如下：

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动态扩容：

如果新字符串小于1M，则新空间为扩展后字符串长度的两倍+1；
如果新字符串大于1M，则新空间为扩展后字符串长度+1M+1。称为内存预分配。

优点：

获取字符串长度的时间复杂度为O(1)
支持动态扩容
减少内存分配次数
二进制安全

整数集合Intset

IntSet是Redis中set集合的一种实现方式，基于整数数组来实现，并且具备长度可变、有序等特征。

源码如下：

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其中的 encoding 包含三种模式，表示存储的整数大小不同：

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为了方便查找，Redis会将intset中所有的整数按照升序依次保存在contents数组中。

优点：

Redis会确保Intset中的元素唯一、有序
具备类型升级机制，可以节省内存空间
底层采用二分查找方式来查询

键值型Dict

Redis是一个键值型（Key-Value Pair）的数据库，我们可以根据键实现快速的增删改查。而键与值的映射关系正是通过Dict来实现的。

Dict 由三部分组成，分别是：哈希表（DictHashTable）、哈希节点（DictEntry）、字典（Dict）。

源码如下：

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Dict的扩容：

Dict中的HashTable就是数组结合单向链表的实现，当集合中元素较多时，必然导致哈希冲突增多，链表过长，则查询效率会大大降低。
Dict在每次新增键值对时都会检查负载因子（LoadFactor = used/size），满足以下两种情况时会触发哈希表扩容：

哈希表的 LoadFactor >= 1，并且服务器没有执行 BGSAVE 或者 BGREWRITEAOF 等后台进程；
哈希表的 LoadFactor > 5 ；

Dict的rehash

不管是扩容还是收缩，必定会创建新的哈希表，导致哈希表的size和sizemask变化，而key的查询与sizemask有关。因此必须对哈希表中的每一个key重新计算索引，插入新的哈希表，这个过程称为rehash。过程是这样的：

计算新hash表的realeSize，值取决于当前要做的是扩容还是收缩：
- 如果是扩容，则新size为第一个大于等于dict.ht[0].used + 1的2^n
- 如果是收缩，则新size为第一个大于等于dict.ht[0].used的2^n （不得小于4）
按照新的realeSize申请内存空间，创建dictht，并赋值给dict.ht[1]
设置dict.rehashidx = 0，标示开始rehash
将dict.ht[0]中的每一个dictEntry都rehash到dict.ht[1]
将dict.ht[1]赋值给dict.ht[0]，给dict.ht[1]初始化为空哈希表，释放原来的dict.ht[0]的内存
将rehashidx赋值为-1，代表rehash结束
在rehash过程中，新增操作，则直接写入ht[1]，查询、修改和删除则会在dict.ht[0]和dict.ht[1]依次查找并执行。这样可以确保ht[0]的数据只减不增，随着rehash最终为空

Dict的结构：

类似java的HashTable，底层是数组加链表来解决哈希冲突
Dict包含两个哈希表，ht[0]平常用，ht[1]用来rehash

压缩链表 ZipList

ZipList 是一种特殊的“双端链表” ，由一系列特殊编码的连续内存块组成。可以在任意一端进行压入/弹出操作, 并且该操作的时间复杂度为 O(1)。

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属性	类型	长度	用途
zlbytes	uint32_t	4 字节	记录整个压缩列表占用的内存字节数
zltail	uint32_t	4 字节	记录压缩列表表尾节点距离压缩列表的起始地址有多少字节，通过这个偏移量，可以确定表尾节点的地址。
zllen	uint16_t	2 字节	记录了压缩列表包含的节点数量。最大值为UINT16_MAX （65534），如果超过这个值，此处会记录为65535，但节点的真实数量需要遍历整个压缩列表才能计算得出。
entry	列表节点	不定	压缩列表包含的各个节点，节点的长度由节点保存的内容决定。
zlend	uint8_t	1 字节	特殊值 0xFF （十进制 255 ），用于标记压缩列表的末端。

ZipListEntry

ZipList 中的Entry并不像普通链表那样记录前后节点的指针，因为记录两个指针要占用16个字节，浪费内存。而是采用了下面的结构：

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previous_entry_length：前一节点的长度，占1个或5个字节。
- 如果前一节点的长度小于254字节，则采用1个字节来保存这个长度值
- 如果前一节点的长度大于254字节，则采用5个字节来保存这个长度值，第一个字节为0xfe，后四个字节才是真实长度数据
encoding：编码属性，记录content的数据类型（字符串还是整数）以及长度，占用1个、2个或5个字节
contents：负责保存节点的数据，可以是字符串或整数

ZipList中所有存储长度的数值均采用小端字节序，即低位字节在前，高位字节在后。

Encoding编码

ZipListEntry中的encoding编码分为字符串和整数两种：

字符串：如果encoding是以“00”、“01”或者“10”开头，则证明content是字符串
整数：如果encoding是以“11”开始，则证明content是整数，且encoding固定只占用1个字节

ZipList特性：

压缩列表的可以看做一种连续内存空间的"双向链表"
列表的节点之间不是通过指针连接，而是记录上一节点和本节点长度来寻址，内存占用较低
如果列表数据过多，导致链表过长，可能影响查询性能
增或删较大数据时有可能发生连续更新问题

快速链表QuickList

Redis在3.2版本引入了新的数据结构QuickList，它是一个双端链表，只不过链表中的每个节点都是一个ZipList。

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为了避免QuickList中的每个ZipList中entry过多，Redis提供了一个配置项：list-max-ziplist-size来限制。
如果值为正，则代表ZipList的允许的entry个数的最大值
如果值为负，则代表ZipList的最大内存大小，分5种情况：

-1：每个ZipList的内存占用不能超过4kb
-2：每个ZipList的内存占用不能超过8kb
-3：每个ZipList的内存占用不能超过16kb
-4：每个ZipList的内存占用不能超过32kb
-5：每个ZipList的内存占用不能超过64kb

其默认值为 -2。

QuickList的特点：

是一个节点为ZipList的双端链表
节点采用ZipList，解决了传统链表的内存占用问题
控制了ZipList大小，解决连续内存空间申请效率问题
中间节点可以压缩，进一步节省了内存

跳表SkipList

SkipList（跳表）首先是链表，但与传统链表相比有几点差异：

元素按照升序排列存储
节点可能包含多个指针，指针跨度不同

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SkipList的特点：

跳跃表是一个双向链表，每个节点都包含score和ele值
节点按照score值排序，score值一样则按照ele字典排序
每个节点都可以包含多层指针，层数是1到32之间的随机数
不同层指针到下一个节点的跨度不同，层级越高，跨度越大
增删改查效率与红黑树基本一致，实现却更简单

对象RedisObject

Redis中的任意数据类型的键和值都会被封装为一个RedisObject，也叫做Redis对象。

Redis的编码方式

Redis中会根据存储的数据类型不同，选择不同的编码方式，共包含11种不同类型：

编号	编码方式	说明
0	OBJ_ENCODING_RAW	raw编码动态字符串
1	OBJ_ENCODING_INT	long类型的整数的字符串
2	OBJ_ENCODING_HT	hash表（字典dict）
3	OBJ_ENCODING_ZIPMAP	已废弃
4	OBJ_ENCODING_LINKEDLIST	双端链表
5	OBJ_ENCODING_ZIPLIST	压缩列表
6	OBJ_ENCODING_INTSET	整数集合
7	OBJ_ENCODING_SKIPLIST	跳表
8	OBJ_ENCODING_EMBSTR	embstr的动态字符串
9	OBJ_ENCODING_QUICKLIST	快速列表
10	OBJ_ENCODING_STREAM	Stream流

五种数据结构

Redis中会根据存储的数据类型不同，选择不同的编码方式。每种数据类型的使用的编码方式如下：

数据类型	编码方式
OBJ_STRING	int、embstr、raw
OBJ_LIST	LinkedList和ZipList(3.2以前)、QuickList（3.2以后）
OBJ_SET	intset、HT
OBJ_ZSET	ZipList、HT、SkipList
OBJ_HASH	ZipList、HT

Redis网络模型

Redis到底是单线程还是多线程？

如果仅仅聊Redis的核心业务部分（命令处理），答案是单线程
如果是聊整个Redis，那么答案就是多线程

在Redis版本迭代过程中，在两个重要的时间节点上引入了多线程的支持：

Redis v4.0：引入多线程异步处理一些耗时较旧的任务，例如异步删除命令unlink
Redis v6.0：在核心网络模型中引入多线程，进一步提高对于多核CPU的利用率

因此，对于Redis的核心网络模型，在Redis 6.0之前确实都是单线程。是利用epoll（Linux系统）这样的IO多路复用技术在事件循环中不断处理客户端情况。

为什么Redis要选择单线程？

抛开持久化不谈，Redis是纯内存操作，执行速度非常快，它的性能瓶颈是网络延迟而不是执行速度，因此多线程并不会带来巨大的性能提升。
多线程会导致过多的上下文切换，带来不必要的开销
引入多线程会面临线程安全问题，必然要引入线程锁这样的安全手段，实现复杂度增高，而且性能也会大打折扣

Redis的单线程模型-Redis单线程和多线程网络模型变更
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当我们的客户端想要去连接我们服务器，会去先到IO多路复用模型去进行排队，会有一个连接应答处理器，他会去接受读请求，然后又把读请求注册到具体模型中去，此时这些建立起来的连接，如果是客户端请求处理器去进行执行命令时，他会去把数据读取出来，然后把数据放入到client中， clinet去解析当前的命令转化为redis认识的命令，接下来就开始处理这些命令，从redis中的command中找到这些命令，然后就真正的去操作对应的数据了，当数据操作完成后，会去找到命令回复处理器，再由他将数据写出。