聊聊Redis資料結構中的String類型

這篇文章帶大家一起了解Redis資料結構中的String類型，並聊聊Redis的KV儲存結構，希望對大家有幫助！

Redis常用作分散式KV緩存，許多人只會使用，卻不知道底層卻有著許多不為人知的秘密。 【相關推薦：Redis影片教學】

String類型

String作為Redis支援的最基礎的資料類型，首先我們來看看String，他的資料結構和儲存是怎麼樣的。

重新定義SDS 去儲存String

眾所周知，redis是用c語言進行寫的，而c語言是沒有String類型的，只有char[]，並且在初始化的是時候就必須大小指定型別後就不能改變。為了實現動態增加和擴充等功能，如incr指令，append指令，所以redis就自己定義維護了一個SDS（Simple Dynamic String）來實作這些功能。

我們先來看一下redis原始碼中定義的資料結構,這裡有5種類型，目的是為了節省空間。

1、len:取得char[]的長度，需要遍歷數組，len(char[])時間複雜度O(n)；
2、alloc ：c語言沒有String類型， 只有char[]，且char[]必須先分配空間長度，char[]預先分配了長度，資料增長後需要擴充；

3、falgs：總是佔用一個位元組.其中的最低3個bit用來表示header的型別。 header的類型共有5種，在sds.h有常數定義。
4、buf[]：c語言的char數組，用'\0'代表結束，意味著儲存二進位資料不能包含'\0'，圖片音訊等用二進位儲存會有問題－這就是為什麼Redis說自己實作的SDS是二進位安全的字串。

SDS對c原始char數組的改進

1、Redis實作的SDS支援擴容
2、包含長度len，取得長度複雜度O(1 )
3、空間預先分配
4、惰性空間釋放（下面會講）

#SDS的優缺點

##優點

能夠支援擴容
• 包含長度len，取得長度複雜度O(1)
• #空間預先分配

缺點

#需要分配額外的記憶體
• 頻繁的分配和回收帶來的效率問題

#Redis 所使用的記憶體分配庫jemalloc

jemalloc 在分配記憶體時，會根據我們申請的位元組數N，找一個比N 大，但是最接近N 的2 的冪次數作為分配的空間，這樣可以減少頻繁分配的次數。舉個例子。如果你申請 6 個位元組空間，jemalloc 實際上會分配 8 個位元組空間；如果你申請 24 個位元組空間，jemalloc 則會分配 32 個位元組。所以，在我們剛剛說的場景裡，dictEntry 結構就佔了 32 個位元組。

空間預先分配

空間預先分配用於最佳化SDS 的字串成長操作： 當SDS 的API 對一個SDS 進行修改， 並且需要對SDS 進行空間擴充的時候， 程式不僅會為SDS 分配修改所必須要的空間， 還會為SDS 分配額外的未使用空間。

其中， 額外分配的未使用空間數量由以下公式決定：

如果對SDS 進行修改之後， SDS 的長度（也即是len 屬性的值）將小於1 MB ， 那麼程式指派和len 屬性同樣大小的未使用空間， 這時SDS len 屬性的值將會和free 屬性的值相同。舉個例子， 如果進行修改之後， SDS 的len 將變成13 字節， 那麼程式也會分配13 個位元組的未使用空間， SDS 的buf 陣列的實際長度將變成13 13 1 = 27 位元組（額外的一位元組用於保存空字元）。
• 如果對 SDS 進行修改之後， SDS 的長度將大於等於 1 MB ， 那麼程式會分配 1 MB 的未使用空間。舉個例子， 如果進行修改之後， SDS 的 len 將變成 30 MB ， 那麼程式會分配 1 MB 的未使用空間， SDS 的 buf 陣列的實際長度將為 30 MB 1 MB 1 byte 。

透過空間預先分配策略， Redis 可以減少連續執行字串成長運算所需的記憶體重新分配次數。

惰性釋放

惰性空間釋放用於最佳化SDS 的字串縮短操作： 當SDS 的API 需要縮短SDS 保存的字串時， 程式並不立即使用記憶體重新分配來回收縮短後多出來的位元組， 而是使用free 屬性將這些位元組的數量記錄起來， 並等待將來使用。

Redis的KV儲存結構

在redis中，所有的儲存都是以KV鍵值對的形式儲存的，K是字串類型，就是SDS；V 可能是字串、list、hash等(Redis支援的資料結構)，V並沒有直接定成具體的類型，而是用redisObject封裝了一層；實際儲存的資料結構是由ptr指標具體指向。

並且，redis為了更好的節省空間，ptr指針也有不同方式的存儲，一方面，當保存的是Long 類型整數時，RedisObject 中的指針就直接賦值為整數數據了，這樣就不用額外的指針再指向整數了，節省了指針的空間開銷。另一方面，當保存的是字串數據，且字串小於等於 44 個位元組時，RedisObject 中的元數據、指標和 SDS 是一塊連續的記憶體區域，這樣就可以避免記憶體碎片。這種佈局方式也被稱為 embstr 編碼方式。當然，當字串大於 44 位元組時，SDS 的資料量就開始變多了，Redis 就不再把 SDS 和 RedisObject 佈局在一起了，而是會給 SDS 分配獨立的空間，並用指標指向 SDS 結構。這種佈局方式稱為 raw 編碼模式。如圖所示

• embstr 編碼
  儲存簡短字串，一次的記憶體分配；
  它是唯讀的，如果對內容進行修改，就會變成raw編碼(即使沒超過44位元組)；
• raw 編碼
  可分配多次記憶體空間，儲存大於44個位元組的長字串。

raw 原生SDS 字元長度 縮減到小於44，會逆向變成embstr編碼嗎？
不會；Redis底層編碼，轉變後 不可逆(不會回退)。

總結

redis是常用的快取中間件，我們必須了解清楚他的資料結構和存儲，以便以使用的時候的選擇更加合適的資料結構和內存的預估。

redis記憶體計算位址 http://www.redis.cn/redis_memory/

更多程式相關知識，請造訪：程式設計入門！ ！

以上是聊聊Redis資料結構中的String類型的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！