Redis进阶 - 数据结构:redis对象与编码(底层结构)对应关系详解

在学习完底层数据结构之后,我们终于可以结合前文内容阐述redis对象及编码之间的关系了。@pdai

redis对象与编码(底层结构)对应关系引入

在对对象机制详解底层数据结构 有了初步认识之后,我们便可以继续理解它们是怎么对应的:

字符串对象

字符串是Redis最基本的数据类型,不仅所有key都是字符串类型,其它几种数据类型构成的元素也是字符串。注意字符串的长度不能超过512M。

  • 编码

字符串对象的编码可以是int,raw或者embstr。

  • int 编码:保存的是可以用 long 类型表示的整数值。
  • embstr 编码:保存长度小于44字节的字符串(redis3.2版本之前是39字节,之后是44字节)。
  • raw 编码:保存长度大于44字节的字符串(redis3.2版本之前是39字节,之后是44字节)。

由上可以看出,int 编码是用来保存整数值,而embstr是用来保存短字符串,raw编码是用来保存长字符串。

  • 内存布局

字符串对象支持三种编码方式: RAW, INT, EMBSTR, 三种方式的内存布局分别如下:

  • raw 和 embstr 的区别

其实 embstr 编码是专门用来保存短字符串的一种优化编码,raw 和 embstr 的区别:

embstr与raw都使用redisObject和sds保存数据,区别在于,embstr的使用只分配一次内存空间(因此redisObject和sds是连续的),而raw需要分配两次内存空间(分别为redisObject和sds分配空间)。因此与raw相比,embstr的好处在于创建时少分配一次空间,删除时少释放一次空间,以及对象的所有数据连在一起,寻找方便。而embstr的坏处也很明显,如果字符串的长度增加需要重新分配内存时,整个redisObject和sds都需要重新分配空间,因此redis中的embstr实现为只读。

ps:Redis中对于浮点数类型也是作为字符串保存的,在需要的时候再将其转换成浮点数类型

  • 编码的转换

当 int 编码保存的值不再是整数,或大小超过了long的范围时,自动转化为raw。

对于 embstr 编码,由于 Redis 没有对其编写任何的修改程序(embstr 是只读的),在对embstr对象进行修改时,都会先转化为raw再进行修改,因此,只要是修改embstr对象,修改后的对象一定是raw的,无论是否达到了44个字节。

列表对象

list 列表,它是简单的字符串列表,按照插入顺序排序,你可以添加一个元素到列表的头部(左边)或者尾部(右边),它的底层实际上是个链表结构。

  • 编码

列表对象的编码是quicklist。 (之前版本中有linked和ziplist这两种编码。进一步的, 目前Redis定义的10个对象编码方式宏名中, 有两个被完全闲置了, 分别是: OBJ_ENCODING_ZIPMAPOBJ_ENCODING_LINKEDLIST。 从Redis的演进历史上来看, 前者是后续可能会得到支持的编码值(代码还在), 后者则应该是被彻底淘汰了)

  • 内存布局

列表对象的内存布局如下图所示:

哈希对象

哈希对象的键是一个字符串类型,值是一个键值对集合。

  • 编码

哈希对象的编码可以是 ziplist 或者 hashtable;对应的底层实现有两种, 一种是ziplist, 一种是dict。

两种编码内存布局分别如下:

上图中不严谨的地方有:

  1. ziplist中每个entry, 除了键与值本身的二进制数据, 还包括其它字段, 图中没有画出来
  2. dict底层可能持有两个dictht实例
  3. 没有画出dict的哈希冲突

需要注意的是: 当采用HT编码, 即使用dict作为哈希对象的底层数据结构时, 键与值均是以sds的形式存储的.

  • 举例说明

当使用ziplist,也就是压缩列表作为底层实现时,新增的键值对是保存到压缩列表的表尾。比如执行以下命令:

hset profile name "Tom"
hset profile age 25
hset profile career "Programmer"
1
2
3

如果使用ziplist,profile 存储如下:

当使用 hashtable 编码时,上面命令存储如下:

hashtable 编码的哈希表对象底层使用字典数据结构,哈希对象中的每个键值对都使用一个字典键值对。

在前面介绍压缩列表时,我们介绍过压缩列表是Redis为了节省内存而开发的,是由一系列特殊编码的连续内存块组成的顺序型数据结构,相对于字典数据结构,压缩列表用于元素个数少、元素长度小的场景。其优势在于集中存储,节省空间。

  • 编码转换

和上面列表对象使用 ziplist 编码一样,当同时满足下面两个条件时,使用ziplist(压缩列表)编码:

1、列表保存元素个数小于512个

2、每个元素长度小于64字节

不能满足这两个条件的时候使用 hashtable 编码。第一个条件可以通过配置文件中的 set-max-intset-entries 进行修改。

集合对象

集合对象 set 是 string 类型(整数也会转换成string类型进行存储)的无序集合。注意集合和列表的区别:集合中的元素是无序的,因此不能通过索引来操作元素;集合中的元素不能有重复。

  • 编码

集合对象的编码可以是 intset 或者 hashtable; 底层实现有两种, 分别是intset和dict。 显然当使用intset作为底层实现的数据结构时, 集合中存储的只能是数值数据, 且必须是整数; 而当使用dict作为集合对象的底层实现时, 是将数据全部存储于dict的键中, 值字段闲置不用.

集合对象的内存布局如下图所示:

  • 举例说明
SADD numbers 1 3 5
1

SADD Dfruits "apple" "banana" "cherry"
1

  • 编码转换

当集合同时满足以下两个条件时,使用 intset 编码:

1、集合对象中所有元素都是整数

2、集合对象所有元素数量不超过512

不能满足这两个条件的就使用 hashtable 编码。第二个条件可以通过配置文件的 set-max-intset-entries 进行配置。

有序集合对象

和上面的集合对象相比,有序集合对象是有序的。与列表使用索引下标作为排序依据不同,有序集合为每个元素设置一个分数(score)作为排序依据。

  • 编码

有序集合的底层实现依然有两种, 一种是使用ziplist作为底层实现, 另外一种比较特殊, 底层使用了两种数据结构: dict与skiplist. 前者对应的编码值宏为ZIPLIST, 后者对应的编码值宏为SKIPLIST

使用ziplist来实现在序集合很容易理解, 只需要在ziplist这个数据结构的基础上做好排序与去重就可以了. 使用zskiplist来实现有序集合也很容易理解, Redis中实现的这个跳跃表似乎天然就是为了实现有序集合对象而实现的, 那么为什么还要辅助一个dict实例呢? 我们先看来有序集合对象在这两种编码方式下的内存布局, 然后再做解释:

首先是编码为ZIPLIST时, 有序集合的内存布局如下:

然后是编码为SKIPLIST时, 有序集合的内存布局如下:

说明:其实有序集合单独使用字典或跳跃表其中一种数据结构都可以实现,但是这里使用两种数据结构组合起来,原因是假如我们单独使用 字典,虽然能以 O(1) 的时间复杂度查找成员的分值,但是因为字典是以无序的方式来保存集合元素,所以每次进行范围操作的时候都要进行排序;假如我们单独使用跳跃表来实现,虽然能执行范围操作,但是查找操作有 O(1)的复杂度变为了O(logN)。因此Redis使用了两种数据结构来共同实现有序集合。

  • 举例说明
ZADD price 8.5 apple 5.0 banana 6.0 cherry
1

  • 编码转换

当有序集合对象同时满足以下两个条件时,对象使用 ziplist 编码:

1、保存的元素数量小于128;

2、保存的所有元素长度都小于64字节。

不能满足上面两个条件的使用 skiplist 编码。以上两个条件也可以通过Redis配置文件zset-max-ziplist-entries 选项和 zset-max-ziplist-value 进行修改。

参考文章

https://www.cnblogs.com/ysocean/p/9080942.html

http://redisbook.com/preview/dict/datastruct.html

https://www.cnblogs.com/neooelric/p/9621736.html

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