本文是《Redis设计与实现》的阅读笔记。
基本数据结构
简单动态字符串
Redis中的字符串使用“简单动态字符串”（SDS）表示，无论是字符串值还是键底层都采用“简单动态字符串”。
free：未使用空间大小；len：字符串长度；buf：以空字符结尾的char数组。
为了减少内存重新分配次数，SDS做出了以下优化：
- 空间预分配：额外分配的未使用空间数量由以下公式决定：
- 如果对SDS进行修改之后，SDS的长小于1MB，那么程序分配和
len属性同样大小的未使用空间， - 如果对SDS进行修改之后，SDS的长度将大于等千1MB, 那么程序会分配 1MB 的未使用空间。
- 如果对SDS进行修改之后，SDS的长小于1MB，那么程序分配和
- 惰性空间释放：程序并不立即使用内存重分配来回收缩短后多出来的字节，而是使用
free属性将这些字节的数量记录起来，并等待将来使用。
链表
链表是Redis列表键实现之一，也是很多其他功能实现的基础，链表节点定义如下：
链表的完整结构体定义如下
head为表头指针；tail为表尾指针；len为链表长度计数器；dup为函数指针，用于复制链表节点所保存的值；free为函数指针，用于释放链表节点所保存的值；match为函数指针，则用于对比链表节点所保存的值和另一个输入值是否相等。
字典
字典将键和值进行关联，当哈希键中的键值对数量比较多，或者键值对中的元素比较大的时候，采用字典作为底层实现。字节的数据结构如下
哈希表结构dict中，table属性是一个数组，每个元素都是指向dictEntry结构的指针，size属性记录了哈希表的大小，sizemask属性的值总是等于size-1，而used属性则记录了哈希表目前已有节点（键值对）的数量。
字典结构dictType中有两个哈希表ht[0]和ht[1]，ht[l]哈希表只会在对 ht[0]哈希表进行rehash时使用，rehashidx它记录了rehash目前的进度。type属性是一个指向dictType结构的指针，dictType结构保存了一簇用于操作特定类型键值对的函数，例如计算哈希值、复制键、复制值、对比键、销毁键和销毁值的函数。而privdata属性则保存了需要传给那些类型特定函数的可选参数。
为了让哈希表的负载因子维持在一个合理的范围之内，当哈希表保存的键值对数量太多或者太少时，程序需要对哈希表的大小进行相应的扩展或者收缩。
- 如果执行的是扩展操作，那么ht[l]的大小为第一个大于等于
ht[0].used*2的；
- 如果执行的是收缩操作，那么ht[1]的大小为第一个大于等于
ht[O].used的
字典采用渐进式rehash，好处在千它采取分而治之的方式，将 rehash键值对所需的计算工作均摊到对字典的每个添加、删除、查找和更新操作上。
跳跃表
跳跃表可以用于有序集合键的底层实现，数据结构如下
zskiplist结构包含以下属性：
header: 指向跳跃表的表头节点。tail: 指向跳跃表的表尾节点。level: 记录目前跳跃表内，层数最大的那个节点的层数。length: 记录跳跃表的长度。
zskiplistNode 结构，该结构包含以下属性：
- 层 (
level) : 每个层都带有两个属性：前进指针和跨度。前进指针用于 访问位于表尾方向的其他节点，而跨度则记录了前进指针所指向节点和当前节点的 距离。 - 后退 (
backward) 指针：指向位于当前节点的前一个节点。 - 分值 (
score): 节点按各自所保存的分值从小到大排列。 - 成员对象 (
obj): 节点所保存的成员对象。
整数集合
当一个集合只包含整数值元素，并且这个集合的元素数董不多时， Redis 就会使用整数集合作为集合键的底层实现。
contents数组是整数集合的底层数据存放位置，各个项在数组中按值的大小从小到大有序地排列，并且数组中不包含任何重复项。length属性记录了整数集合包含的元素数量，encoding属性决定了整数类型（INTSET_ENC_INT16/INTSET_ENC_INT32/INTSET_ENC_INT64）。新元素的类型比整数集合现有所有元素的类型都要长时，整数集合需要先进行升级。
压缩链表
如果列表键或者哈希键包含的元素比较少，那么会采用压缩列表作为底层实现。
| 属性 | 说明 |
|---|---|
zlbytes |
记录整个压缩列表占用的内存字节数 |
zltail |
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 |
zllen |
记录了压缩列表包含的节点数量 |
entryX |
压缩列表包含的各个节点 |
zlend |
特殊值 OxFF (十进制 255), 用于标记压缩列表的末端 |
entryX的数据结构如下
节点的previous_entry_length记录了压缩列表中前一个节
点的长度，节点的encoding属性记录了节点的content属性所保存数据的类型以及长度，节点的content属性负责保存节点的值。
数据结构和对象
Redis对象的结构体定义如下
type为对象类型，encoding为底层使用的数据结构，而ptr是指向底层数据结构的指针。Redis一共支持了五种数据类型，可以使用TYPE命令查看对象的类型。
| 对象 | 对象type属性的值 | TYPE命令的输出 |
|---|---|---|
| 字符串对象 | REDIS_STRING | "string" |
| 列表对象 | REDIS_LIST | "list" |
| 哈希对象 | REDIS_HASH | "hash" |
| 集合对象 | REDIS_SET | "set" |
| 有序集合对象 | REDIS_ZSET | "zset" |
而对象具体使用的数据结构可以用OBJECT ENCODING命令获取。
| 类型 | 编码 | 对象 |
|---|---|---|
| REDIS_STRING | REDIS_ENCODING_INT | 使用整数值实现的字符串对象 |
| REDIS_STRING | REDIS_ENCODING_EMBSTR | 使用 embstr 编码的简单动态字符串实现的字符串对象 |
| REDIS_STRING | REDIS_ENCODING_RAW | 使用简单动态字符串实现的字符串对象 |
| REDIS_LIST | REDIS_ENCODING_ZIPLIST | 使用压缩列表实现的列表对象 |
| REDIS_LIST | REDIS_ENCODING_LINKEDLIST | 使用双端链表实现的列表对象 |
| REDIS_HASH | REDIS_ENCODING_ZIPLIST | 使用压缩列表实现的哈希对象 |
| REDIS_HASH | REOIS_ENCODING_HT | 使用字典实现的哈希对象 |
| REDIS_SET | REDIS_ENCODING_INTSET | 使用整数集合实现的集合对象 |
| REDIS_SET | REDIS_ENCODING_HT | 使用字典实现的集合对象 |
| REDIS_ZSET | REDIS_ENCODING_ZIPLIST | 使用压缩列表实现的有序集合对象 |
| REDIS_ZSET | REDIS_ENCODING_SKIPLIST | 使用跳跃表和字典实现的有序集合对象 |
不同类型的对象的编码选择规则如下：
字符串对象
- 如果一个字符串对象保存的是整数值，并且这个整数值可以用 long 类型来表示，那么 字符串对象会将整数值保存在字符串对象结构的 ptr 属性里面
- 如果字符串对象保存的是一个字符串值，并且这个字符串值的长度大于 32 字节，那么 字符串对象将使用一个简单动态字符串 (SDS) 来保存这个字符串值
- 如果字符串对象保存的是一个字符串值，并且这个字符串值的长度小千等于 32 字节， 那么字符串对象将使用 embstr 编码的方式来保存这个字符串值。
列表对象
当列表对象可以同时满足以下两个条件时，列表对象使用ziplist编码：
- 列表对象保存的所有字符串元素的长度都小千 64 字节；
- 列表对象保存的元素数量小千 512 个；
不能满足这两个条件的列表对象需要使用 linkedlist 编码。
恰希对象
当哈希对象可以同时满足以下两个条件时，哈希对象使用 ziplist 编码：
- 哈希对象保存的所有键值对的键和值的字符串长度都小千 64 字节；
- 哈希对象保存的键值对数量小千 512 个；
不能满足这两个条件的哈希对象需要使用 hash able 编码。
集合对象
当集合对象可以同时满足以下两个条件时，对象使用 intset 编码： 集合对象保存的所有元素都是整数值；
- 集合对象保存的元素数量不超过 512 个。
不能满足这两个条件的集合对象需要使用 hash table 编码。
有序集合对象
当有序集合对象可以同时满足以下两个条件时，对象使用ziplist编码：
- 有序集合保存的元素数量小于 128 个；
- 有序集合保存的所有元素成员的长度都小于 64 字节；
不能满足以上两个条件的有序集合对象将使用skiplist编码。
有序集合对象在维护skiplist的同时，使用了dict，使得能够快速完成成员查询。
