Redis的基础数据结构是怎样的

整数集合

如果一个集合只包含不多的整数元素，那么Redis会使用整数集合intset。首先看 intset 的数据结构：

typedef struct intset {
    // 编码方式
    uint32_t encoding;
    // 集合包含的元素数量
    uint32_t length;
    // 保存元素的数组
    int8_t contents[];
} intset;

其实 intset 的数据结构比较好理解。一个数据保存元素，length 保存元素的数量，也就是contents的大小，encoding 用于保存数据的编码方式。

通过代码我们可以知道，encoding 的编码类型包括了：

#define INTSET_ENC_INT16 (sizeof(int16_t))
#define INTSET_ENC_INT32 (sizeof(int32_t))
#define INTSET_ENC_INT64 (sizeof(int64_t))

实际上我们可以看出来。 Redis encoding的类型，就是指数据的大小。作为一个内存数据库，采用这种设计就是为了节约内存。

既然有从小到大的三个数据结构，在插入数据的时候尽可能使用小的数据结构来节约内存，如果插入的数据大于原有的数据结构，就会触发扩容。

扩容有三个步骤：

1. 根据新元素的类型，修改整个数组的数据类型，并重新分配空间

2. 将原有的的数据，装换为新的数据类型，重新放到应该在的位置上，且保存顺序性

3. 再插入新元素

整数集合不支持降级操作，一旦升级就不能降级了。

跳跃表

跳跃表是链表的一种，是一种利用空间换时间的数据结构。跳表平均支持 O(logN)，最坏O(N)复杂度的查找。

跳表是由一个zskiplist 和 多个 zskiplistNode 组成。我们先看看他们的结构：

/* ZSETs use a specialized version of Skiplists *//*
 * 跳跃表节点
 */

typedef struct zskiplistNode {
    // 成员对象
    robj *obj;
    // 分值
    double score;
    // 后退指针
    struct zskiplistNode *backward;
    // 层
    struct zskiplistLevel {
        // 前进指针
        struct zskiplistNode *forward;
        // 跨度
        unsigned int span;
    } level[];

    } zskiplistNode;
        
/*
 * 跳跃表
 */

typedef struct zskiplist {
    // 表头节点和表尾节点
    struct zskiplistNode *header, *tail;
    // 表中节点的数量
    unsigned long length;
    // 表中层数最大的节点的层数
    int level;

} zskiplist;

所以根据这个代码我们可以画出如下的结构图：

其实跳表就是一个利用空间换时间的数据结构，利用 level 作为链表的索引。

之前有人问过 Redis 的作者 为什么使用跳跃表，而不是 tree 来构建索引？作者的回答是：

1. 省内存。

2. 在使用ZRANGE或ZREVRANGE时，涉及到的是典型的链表操作场景。时间复杂度的表现和平衡树差不多。

3. 最重要的一点是跳跃表的实现很简单就能达到 O(logN)的级别。

压缩列表

压缩链表 Redis 作者的介绍是，为了尽可能节约内存设计出来的双向链表。

对于一个压缩列表代码里注释给出的数据结构如下：

zlbytes 表示的是整个压缩列表使用的内存字节数

zltail 指定了压缩列表的尾节点的偏移量

zllen 是压缩列表 entry 的数量

entry 就是 ziplist 的节点

zlend 标记压缩列表的末端

这个列表中还有单个指针：

ZIPLIST_ENTRY_HEAD 列表开始节点的头偏移量

ZIPLIST_ENTRY_TAIL 列表结束节点的头偏移量

ZIPLIST_ENTRY_END 列表的尾节点结束的偏移量

再看看一个 entry 的结构：

/*
 * 保存 ziplist 节点信息的结构
 */

typedef struct zlentry {
    // prevrawlen ：前置节点的长度
    // prevrawlensize ：编码 prevrawlen 所需的字节大小
    unsigned int prevrawlensize, prevrawlen;
    // len ：当前节点值的长度
    // lensize ：编码 len 所需的字节大小  
    unsigned int lensize, len;
    // 当前节点 header 的大小
    // 等于 prevrawlensize + lensize
    unsigned int headersize;
    // 当前节点值所使用的编码类型
    unsigned char encoding;
    // 指向当前节点的指针
    unsigned char *p;

} zlentry;

依次解释一下这几个参数。

prevrawlen 前置节点的长度，这里多了一个 size，其实是记录了 prevrawlen 的尺寸。Redis 为了节约内存并不是直接使用默认的 int 的长度，而是逐渐升级的。
同理 len 记录的是当前节点的长度，lensize 记录的是 len 的长度。
headersize 就是前文提到的两个 size 之和。
encoding 就是这个节点的数据类型。这里注意一下 encoding 的类型只包括整数和字符串。
p 节点的指针，不用过多的解释。

需要注意一点，因为每个节点都保存了前一个节点的长度，如果发生了更新或者删除节点，则这个节点之后的数据也需要修改，有一种最坏的情况就是如果每个节点都处于需要扩容的零界点，就会造成这个节点之后的节点都要修改 size 这个参数，引发连锁反应。这个时候就是 压缩链表最坏的时间复杂度 O(n^2)。不过所有节点都处于临界值，这样的概率可以说比较小。

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