Redis 内部数据结构
介绍
Redis（Remote Dictionary Server）是一个高性能的键值存储系统，广泛用于缓存、消息队列和实时数据处理等场景。Redis之所以如此高效，很大程度上得益于其精心设计的内部数据结构。这些数据结构不仅支持丰富的数据类型，还通过优化存储和访问方式，确保了Redis的高性能。
在本节中，我们将深入探讨Redis的内部数据结构，包括简单动态字符串（SDS）、字典、跳跃表、压缩列表等。我们将通过代码示例和实际案例，帮助你理解这些数据结构的工作原理及其在Redis中的应用。
简单动态字符串（SDS）
Redis中的字符串并不是直接使用C语言的原生字符串，而是使用了一种称为**简单动态字符串（Simple Dynamic String, SDS）**的数据结构。SDS具有以下优点：
- O(1)时间复杂度获取字符串长度：SDS在结构体中存储了字符串的长度，因此获取字符串长度的时间复杂度为O(1)。
- 二进制安全：SDS可以存储任意二进制数据，而不仅仅是文本数据。
- 自动扩容：SDS会根据需要自动扩容，避免了频繁的内存分配操作。
SDS结构
struct sdshdr {
int len; // 字符串长度
int free; // 未使用的空间
char buf[]; // 字符串数据
};
示例
假设我们有一个SDS字符串 sds，其内容为 "hello"，那么它的结构可能如下：
字典（Dict）
字典是Redis中用于存储键值对的核心数据结构。Redis的字典实现基于哈希表，支持O(1)时间复杂度的查找、插入和删除操作。
字典结构
typedef struct dict {
dictType *type; // 类型特定函数
void *privdata; // 私有数据
dictht ht[2]; // 哈希表数组
int rehashidx; // rehash索引
} dict;
哈希冲突解决
Redis使用链地址法来解决哈希冲突。当多个键映射到同一个哈希槽时，这些键值对会以链表的形式存储。
示例
假设我们有一个字典 dict，其中包含以下键值对：
"name" -> "Alice""age" -> "30"
其结构可能如下：
跳跃表（Skip List）
跳跃表是一种有序数据结构，Redis使用跳跃表来实现有序集合（Sorted Set）。跳跃表通过多层链表来加速查找操作，平均时间复杂度为O(log n)。
跳跃表结构
typedef struct zskiplistNode {
robj *obj; // 成员对象
double score; // 分值
struct zskiplistNode *backward; // 后退指针
struct zskiplistLevel {
struct zskiplistNode *forward; // 前进指针
unsigned int span; // 跨度
} level[];
} zskiplistNode;
typedef struct zskiplist {
struct zskiplistNode *header, *tail; // 头节点和尾节点
unsigned long length; // 节点数量
int level; // 层数
} zskiplist;
示例
假设我们有一个跳跃表 zsl，其中包含以下元素：
"Alice" -> 30"Bob" -> 25"Charlie" -> 35
其结构可能如下：
压缩列表（Ziplist）
压缩列表是Redis为了节省内存而设计的一种紧凑型数据结构。它用于存储小型的列表或哈希表，通过连续的内存块来存储数据，减少了内存碎片。
压缩列表结构
<zlbytes> <zltail> <zllen> <entry> <entry> ... <entry> <zlend>
zlbytes：整个压缩列表占用的内存字节数。zltail：最后一个节点的偏移量。zllen：节点数量。entry：每个节点的数据。zlend：压缩列表的结束标志。
示例
假设我们有一个压缩列表 zl，其中包含以下元素：
"Alice""Bob""Charlie"
其结构可能如下：
实际应用场景
缓存
Redis的字典和SDS结构使其非常适合作为缓存系统。例如，我们可以使用Redis缓存用户信息：
SET user:1:name "Alice"
SET user:1:age "30"
排行榜
Redis的有序集合（基于跳跃表）非常适合实现排行榜功能。例如，我们可以存储用户的分数并快速获取排名：
ZADD leaderboard 1000 "Alice"
ZADD leaderboard 800 "Bob"
ZADD leaderboard 1200 "Charlie"
ZRANGE leaderboard 0 -1 WITHSCORES
总结
Redis的内部数据结构是其高性能的关键。通过简单动态字符串、字典、跳跃表和压缩列表等数据结构，Redis能够高效地处理各种数据类型和操作。理解这些数据结构的工作原理，不仅有助于我们更好地使用Redis，还能为我们在设计高性能系统时提供灵感。
附加资源
- Redis官方文档
- 《Redis设计与实现》——黄健宏
练习
- 使用Redis的SDS结构存储一个字符串，并尝试获取其长度。
- 实现一个简单的哈希表，并使用链地址法解决哈希冲突。
- 使用Redis的有序集合实现一个简单的排行榜功能。