阅读 202

Redis进阶篇(二):Redis对象的底层实现

0. 五类对象分别是什么

五类对象就是我们常用的string、list、set、zset、hash

1. 为什么要有对象

我们平时主要是通过操作对象的api来操作redis,而不是通过它的调用它底层数据结构来完成(外观模式)。但我们还需要了解其底层,只有这样才能写最优化高效的代码。

  1. 跟java一样,对象使开发更方便简洁,降低开发门槛。开发者不需要了解其复杂的底层API,直接调用高层接口即可实现开发。
  2. Redis根据对象类型来判断命令是否违法,如果你set key value1 value2就报错。
  3. 对象下可以包含多种数据结构,使数据存储更加多态化。(下面主讲)
  4. Reids基于对象做了垃圾回收(引用计数法)。
  5. 对象带有更丰富的属性,来帮助redis实现更高级的功能。(比如对象的闲置时间)。

2. Redis对象(RedisObject)源码分析

typedef struct redisObject {

    // 类型
    unsigned type:4;

    // 编码
    unsigned encoding:4;

    // 指向底层实现数据结构的指针
    void *ptr;

    // ...

} robj;
复制代码

type字段

记录对象类型。

我们平时用的命令type <key>,其实就是返回这个字段的属性。

127.0.0.1:6379> set hello world
OK
127.0.0.1:6379> type hello
string
127.0.0.1:6379> rpush list 1 2 3
(integer) 3
127.0.0.1:6379> type list
list
...
复制代码

那type有多少中类型呢?看下面这个表:

对象 type 字段 TYPE命令的输出
字符串对象 REDIS_STRING "string"
列表对象 REDIS_LIST
哈希对象 REDIS_HASH
集合对象 REDIS_SET
有序集合对象 REDIS_ZSET

encoding字段

记录对象使用的编码(数据结构),Reids中称数据结构为encoding。

我们可以这样查看我们redis对象中的encoding:

127.0.0.1:6379> object encoding hello
"embstr"
127.0.0.1:6379> object encoding list
"quicklist"
...
复制代码

既然它是标明该redisObject是使用的什么数据结构,那肯定也有个对应的表:

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 REDIS_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。

我们可以看到,Redis对对象的底层encoding分的很细,String类型就有三个,其它四个对象都分别有两种不同的底层数据结构的实现。他们有一规律,就是用ziplistintsetembstr来实现少量的数据,数据量一旦庞大,就会升级到skiplistrawlinkedlistht来实现,后面我会仔细讲解。

3. 分别分析各个对象的底层编码实现(数据结构)

3.1 字符串(string)

字符串编码有三个:int、raw、embstr。

3.1.1 int

当string对象的值全部是数字,就会使用int编码。

127.0.0.1:6379> set number 123455
OK
127.0.0.1:6379> object encoding number
"int"
复制代码
3.1.2 embstr

字符串或浮点数长度小于等于39字节,就会使用embstr编码方式来存储,embstr存储内存一般很小,所以redis一次性分配且内存连续(效率高)。

127.0.0.1:6379> set shortStr "suwe suwe suwe"
OK
127.0.0.1:6379> object encoding shortStr
"embstr"
复制代码
3.1.2 raw

当一个字符串或浮点数长度大于39字节,就使用SDS来保存,编码为raw,由于不确定值的字节大小,所以键和值各分配各的,所以就分配两次内存(回收也是两次),同理它一定不是内存连续的。

127.0.0.1:6379> set longStr "hello everyone, we dont need to sleep around to go aheard! do you think?"
OK
127.0.0.1:6379> object encoding longStr
"raw"
复制代码
3.1.3 编码转换

前面说过,Redis会自动对编码进行转换来适应和优化数据的存储。

int->raw

条件:数字对象进行append字母,就会发生转换。

127.0.0.1:6379> object encoding number
"int"
127.0.0.1:6379> append number " is a lucky number"
(integer) 24
127.0.0.1:6379> object encoding number
"raw"
复制代码

embstr->raw

条件:对embstr进行修改,redis会先将其转换成raw,然后才进行修改。所以embstr实际上是只读性质的。

127.0.0.1:6379> object encoding shortStr
"embstr"
127.0.0.1:6379> append shortStr "(hhh"
(integer) 18
127.0.0.1:6379> object encoding shortStr
"raw"
复制代码

3.2 列表(list)

列表对象编码可以是:ziplist或linkedlist。

  1. ziplist压缩列表不知道大家还记得不,就是zlbytes zltail zllen entry1 entry2 ..end结构,entry节点里有pre-length、encoding、content属性,忘记的可以返回去看下。

  2. linkedlist,类似双向链表,也是上一章的知识。

3.2.1 编码转换

ziplist->linkedlist

条件:列表对象的所有字符串元素的长度大于等于64字节 & 列表元素数大于等于512. 反之,小于64和小于512会使用ziplist而不是用linkedlist。

这个阈值是可以修改的,修改选项:list-max-ziplist-valuelist-max-ziplist-entriess

3.3 哈希(hash)

哈希对象的编码有:ziplist和hashtable

3.3.1 编码转换

ziplist->hashtable

条件:哈希对象所有键和值字符串长度大于等于64字节 & 键值对数量大于等于512

这个阈值也是可以修改的,修改选项:hash-max-ziplist-valuehash-max-ziplist-entriess

3.4. 集合(set)

集合对象的编码有:intset和hashtable

3.4.1 intset
  1. 集合对象所有元素都是整数
  2. 集合对象元素数不超过512个
3.4.2 编码转换

intset->hashtable

条件:元素不都是整数 & 元素数大于等于512

3.5. 有序集合(zset)

有序集合用到的编码:ziplist和skiplist

大家可能很好奇阿,ziplist的entry中只有属性content可以存放数据,集合也是key-value形式,那怎么存储呢?

第一个节点保存key、第二个节点保存value 以此类推...

3.5.1 为什么要用这两个编码
  1. 如果只用ziplist来实现,无法做到元素的排序,不支持范围查找,能做到元素的快速查找。
  2. 如果只用skiplist来实现,无法做到快速查找,但能做到元素排序、范围操作。
3.5.2 编码转换

ziplist->skiplist

条件:有序集合元素数 >= 128 & 含有元素的长度 >= 64

这个阈值也是可以修改的,修改选项:zset-max-ziplist-valuezset-max-ziplist-entriess

4. 垃圾回收

为什么要说内存回收呢,因为redisObject有一个字段:

typedef struct redisObject {

    // ...

    // 引用计数
    int refcount;

    // ...

} robj;
复制代码

redis的垃圾回收采用引用计数法(和jvm一样),底层采用一个变量对对象的使用行为进行计数。

  • 初始化为1
  • 对象被引用,+1
  • 对象引用消除,-1
  • 计数器==0, 回收对象

5. 对象共享

5.1 对象共享的体现

  1. redis中,值是整数值且相等的两个对象,redis会将该对象进行共享,且引用计数+1
  2. redis启动会自动生成0-9999的整数值放到内存中来共享。

5.2 为什么要对象共享

节约内存

5.3 为什么不对字符串进行共享

成本太高。

验证整数相等只需要O(1)的时间复杂度,而验证字符串要O(n).

6. 对象的空闲时长

最后,redisObject还有一个字段,记录了对象最后一次被访问的时间:

typedef struct redisObject {

    // ...

    unsigned lru:22;

    // ...

} robj;
复制代码

因为这个字段记录对象最后一次被访问的时间,所以它可以用来查看该对象多久未使用,即:用当前时间-lru

127.0.0.1:6379> object idletime hello
(integer) 5110
复制代码

它还关系到redis的热点数据实现,如果我们选择lr算法,当内存超出阈值后会对空闲时长较高的对象进行释放,回收内存。


关注我的公众号,随时阅读我的全部文章。

image

想看往期文章, 请点击我的GitHub地址: github.com/fantj2016/j…