redis源码剖析(四)跳表
文章目录
- 整数集合
- 跳跃表
- 压缩列表
- 总结
整数集合
当一个集合只包含整数,且这个集合的元素不多的时候,Redis 就会使用整数集合 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:
- 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
- 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
- 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:
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-8veqZuZy-1573628505436)(media/15663755251342/15663757297856.jpg)]
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:
- 省内存。
- 服务于 ZRANGE 或者 ZREVRANGE 是一个典型的链表场景。时间复杂度的表现和平衡树差不多。
- 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 + lensizeunsigned 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。
总结
至此Redis的基本数据结构就介绍完了。我们可以看到 Redis 对内存的使用真是“斤斤计较”,对于内存是使用特别节约。同时 Redis 作为一个单线程应用,不用考虑并发的问题,将很多类似 size 或者 length 的参数暴露出来,将很多 O(n) 的操作降低为 O(1)。
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