Redis底层数据结构

概述：

学习使用Redis，其实并不需要去研究其底层数据的实现。我们只需要了解他有哪些常用的数据类型，然后熟练使用，就可以很好的掌握Redis 这个工具了。但是这样的学习方法只适合Redis 的入门，“工欲善其事必先利其器”，我们想要用好Redis，则必须深入了解Redis 的底层到底是如何实现的，我们在选择数据结构的时候才能做出正确的选择。

在上一篇博客《深入浅出Redis-redis底层数据结构（上）》中，我们已经讲解了Redis 中的 动态字符串，链表，字典

在这里我们简单回顾一下他们的特点：

1、动态字符串SDS：区别于C语言字符串，具有良好的伸缩性，在获取字符串长度，字符串修改，防止缓存区溢出等性能都比C语言字符串好

2、链表：顺序存储对象信息，有用于缓存链表长度的属性，在插入删除对象功能中有良好性能，避免环的产生

3、字典：key-value 存储方式，通过hash值计算，判断key的存储，当容量过大，会通过rehash重新分配字典大小

 5、跳跃表

5.1 概述

跳跃表（skiplist）是一种有序数据结构，它通过在每个节点中维持多个指向其他节点的指针，从而达到快速访问节点的目的。跳跃表是一种随机化的数据,跳跃表以有序的方式在层次化的链表中保存元素，效率和平衡树媲美 ——查找、删除、添加等操作都可以在对数期望时间下完成，并且比起平衡树来说，跳跃表的实现要简单直观得多。

Redis 只在两个地方用到了跳跃表，一个是实现有序集合键，另外一个是在集群节点中用作内部数据结构。

5.2 跳跃表的定义

我们先来看一下一整个跳跃表的完整结构：

Redis 的跳跃表 主要由两部分组成：zskiplist（链表）和zskiplistNode （节点）

5.2.1 zskiplistNode（节点） 数据结构：

typedef struct zskiplistNode{
　　　//层
     struct zskiplistLevel{
　　　　 //前进指针
        struct zskiplistNode *forward;
　　　　 //跨度
        unsigned int span;
    } level[];
　　//后退指针
    struct zskiplistNode *backward;
　　//分值
    double score;
　　//成员对象
    robj *obj;
}

1、层：level 数组可以包含多个元素，每个元素都包含一个指向其他节点的指针。

2、前进指针：用于指向表尾方向的前进指针

3、跨度：用于记录两个节点之间的距离

4、后退指针：用于从表尾向表头方向访问节点

5、分值和成员：跳跃表中的所有节点都按分值从小到大排序。成员对象指向一个字符串，这个字符串对象保存着一个SDS值

5.2. zskiplist 数据结构：

typedef struct zskiplist {
     //表头节点和表尾节点
     structz skiplistNode *header,*tail;
     //表中节点数量
     unsigned long length;
     //表中层数最大的节点的层数
     int level;
 
}zskiplist;

从结构图中我们可以清晰的看到，header，tail分别指向跳跃表的头结点和尾节点。level 用于记录最大的层数，length 用于记录我们的节点数量。

5.3 总结

• 　跳跃表是有序集合的底层实现之一
•    主要有zskiplist 和zskiplistNode两个结构组成
•    每个跳跃表节点的层高都是1至32之间的随机数
•    在同一个跳跃表中，多个节点可以包含相同的分值，但每个节点的对象必须是唯一的
•    节点按照分值的大小从大到小排序，如果分值相同，则按成员对象大小排序

 6、整数集合（Intset）

6.1 概述

《Redis 设计与实现》 中这样定义整数集合：“整数集合是集合建的底层实现之一，当一个集合中只包含整数，且这个集合中的元素数量不多时，redis就会使用整数集合intset作为集合的底层实现。”

我们可以这样理解整数集合，他其实就是一个特殊的集合，里面存储的数据只能够是整数，并且数据量不能过大。

6.2 整数集合的实现

typedef struct intset{
    //编码方式
    uint32_t enconding;
   // 集合包含的元素数量
    uint32_t length;
    //保存元素的数组    
    int8_t contents[];
 
}  

我们观察一下一个完成的整数集合结构图：

1、encoding：用于定义整数集合的编码方式

2、length：用于记录整数集合中变量的数量

3、contents：用于保存元素的数组，虽然我们在数据结构图中看到，intset将数组定义为int8_t，但实际上数组保存的元素类型取决于encoding

6.3 整数集合的升级

在上述数据结构图中我们可以看到，intset 在默认情况下会帮我们设定整数集合中的编码方式，但是当我们存入的整数不符合整数集合中的编码格式时，就需要使用到Redis 中的升级策略来解决

Intset 中升级整数集合并添加新元素共分为三步进行：

1、根据新元素的类型，扩展整数集合底层数组的空间大小，并为新元素分配空间

 2、将底层数组现有的所有元素都转换成新的编码格式，重新分配空间

3、将新元素加入到底层数组中

比如，我们现在有如下的整数集合：

我们现在需要插入一个32位的整数，这显然与整数集合不符合，我们将进行编码格式的转换，并为新元素分配空间：

第二步，将原有数据他们的数据类型转换为与新数据相同的类型：（重新分配空间后的数据）

第三部，将新数据添加到数组中：

6.3.1 整数集合升级的好处

1、提升灵活性

2、节约内存

6.4 总结

整数集合是集合建的底层实现之一

整数集合的底层实现为数组，这个数组以有序，无重复的范式保存集合元素，在有需要时，程序会根据新添加的元素类型改变这个数组的类型

升级操作为整数集合带来了操作上的灵活性，并且尽可能地节约了内存

整数集合只支持升级操作，不支持降级操作

7、压缩列表

7.1 概述

压缩列表是列表键和哈希键的底层实现之一。当一个列表键只把汗少量列表项，并且每个列表项要么就是小整数，要么就是长度比较短的字符串，那么Redis 就会使用压缩列表来做列表键的底层实现。

7.2 压缩列表的构成

一个压缩列表的组成如下：

1、zlbytes:用于记录整个压缩列表占用的内存字节数

2、zltail：记录要列表尾节点距离压缩列表的起始地址有多少字节

3、zllen：记录了压缩列表包含的节点数量。

4、entryX：要说列表包含的各个节点

5、zlend：用于标记压缩列表的末端

7.3 总结

压缩列表是一种为了节约内存而开发的顺序型数据结构

压缩列表被用作列表键和哈希键的底层实现之一

压缩列表可以包含多个节点，每个节点可以保存一个字节数组或者整数值

添加新节点到压缩列表，可能会引发连锁更新操作。