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Redis数据结构之简单动态字符串SDS

2019-03-11 10:29:54 作者:武汉润天教育
Redis的底层数据结构非常多,其中包括SDS、ZipList、SkipList、LinkedList、HashTable、Intset等。如果你对Redis的理解还只停留在get、set的水平的话,是远远不足以应对面试提问的。本文简单介绍了Redis底层最重要的数据结构 - 简单动态字符串(SDS)。
 
Redis使用C语言开发,但并没有使用C语言传统的字符串表示(以空字符结尾的字节数组,以下简称C字符串),而是自己构建了一种名为简单动态字符串的(simple dynamic string,SDS)的抽象类型,并将SDS用作Redis的默认字符串表示。
 
在Redis里面,C字符串只会作为字符串字面量(static literal)用在一些无须对字符串值进行修改的地方。当Redis需要的不仅仅是一个字符串字面量,而是一个可以被修改的字符串值时,Redis就会使用SDS来表示字符串值,比如在Redis的数据库里面,包含字符串的键值对在底层都是由SDS实现的。
 
咱们来举个例子,如果在客户端执行命令:
 
redis> SET msg "hello world" 
ok 
那么Redis将在数据库中创建一个新的键值对,其中:
 
键值对的键是一个字符串对象,对象的底层实现是一个保存着字符串“msg”的SDS。
 
键值对的值也是一个字符串对象,对象的底层实现是一个保存着字符串“hello world”的SDS。
 
除了用来保存数据库中的字符串值之外,SDS还被用作缓冲区:AOF模块中的AOF缓冲区,以及客户端状态中的输入缓冲区,都是由SDS实现的。总之,SDS是Redis的最基础也是最重要的数据结构。
 
1.SDS的定义
 
每个 sds.h/sdshdr 结构表示一个SDS值:
 
struct sdshdr{ 
    // 记录buf数组中已使用字节的数量 
    // 等于SDS所保存字符串的长度 
    int len; 
     
    // 记录buf数组中未使用字节的数量 
    int free; 
    //字节数组,用于保存字符串 
    char buf[]; 
用一张图来表示:
 
 
SDS 遵循 C 字符串以空字符结尾的惯例, 保存空字符的 1字节空间不计算在 SDS 的 len 属性里面, 并且为空字符分配额外的 1 字节空间, 以及添加空字符到字符串末尾等操作都是由 SDS 函数自动完成的, 所以这个空字符对于 SDS 的使用者来说是完全透明的。
 
2.SDS与C字符串的区别
 
现在来说,C语言使用长度为N+1的字符数组来表示长度为N的字符串,并且字符数组的最后一个元素总是空字符“”。
 
C的这种简单的字符串表达方式,并不能满足Redis对字符串在安全性、效率以及功能方面的要求。具体有以下几个方面。
 
2.1 常数复杂度获取字符串长度
 
因为C字符串并不记录字符串的长度信息,所以为了获取一个C字符串的长度,程序必须遍历整个字符串,对遇到的每个字符进行计数,直到遇到空字符为止,这个操作的复杂度为O(n)。而在Redis的SDS中,这个时间复杂度只有O(1)。
 
2.2 杜绝缓冲区溢出
 
除了获取字符串长度的复杂度高之外,C字符不记录自身长度带来的另一个问题就是缓冲区溢出。举个例子,C语言的 strcat 函数可以将字符串中的内容拼接到 dest 字符串的末尾,但是当字符串的容量不够就会产生缓存区溢出,因为字符串也是基于数组实现的,也是有大小限制的。
 
Redis的SDS已经杜绝了这个问题,那它是如何解决的呢?
 
当API要对SDS进行修改时,API会先检查SDS的空间是否满足修改所需的空间,如果不够的话,API会自动将SDS的空间进行扩容,然后才执行实际的修改操作。这就避免了缓冲区内存溢出。
 
2.3 减少修改字符串时带来的内存重分配次数
 
上面说到了API会在修改SDS字符串时自动扩容,如果每次修改都伴随着对字符串内的数组的内存重分配,那效率可想而知。所以Redis实现了空间预分配和惰性空间释放两种优化策略。
 
空间预分配
 
空间预分配用于优化SDS的字符串增长操作:当SDS的API对一个SDS进行修改,并且需要对SDS进行空间扩展的时候,程序不仅会为SDS分配修改所需要的空间,还会为SDS分配额外的未使用空间。
 
总的来说,额外分配的未使用空间数量大小有两种可能:
 
如果对SDS修改之后,SDS的长度将小于1MB,那么程序分配和len 属性同样大小的未使用空间,这时候SDS的 free 属性的值将和 len 属性的值相同。也就是说,该SDS字符串修改完后还有近一半的容量。
 
如果对SDS修改之后,SDS的长度大于等于1MB,那么程序会分配1MB的未使用空间。这个是固定的。
 
通过空间预分配,Redis可以减少连续执行字符串操作所需的内存重分配次数。
 
惰性空间释放
 
惰性空间释放用于优化SDS的字符串缩短操作:当SDS的API需要缩短SDS保存的字符串时,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。
 
2.4 二进制安全
 
在C语言中,字符串的存储必须符合某种编码(ASCII),并且字符串不能包含空字符,否则会被认为是字符串结尾。这些限制使得C字符串只能保存文本数据,而不能保存像图片、音频、视频、压缩文件这样的二进制数据。
 
所以,为了解决C字符串的不足,Redis的 buf 数组保存的是二进制数据,这也就是把SDS的 buf 数组称为字节数组的原因。
 
2.5 兼容部分C字符串函数
 
虽然 Redis 的API都是二进制安全的,但它们一样遵循C字符串以空字符串结尾的惯例,这些API总会将SDS保存的数据的末尾设置为空字符,并且总会在为 buf 数组分配空间时多分配一个字节来容纳这个空字符,这是为了让那些保存文本数据的SDS可以重用一部分C的函数。
 
举个例子, 如果我们有一个 SDS 的指针 s , 那么我们可以直接使用 stdio.h/printf 函数, 通过执行以下语句:
 
printf("%s", s->buf); 
来打印出 SDS 保存的字符串值 "Redis" , 而无须为 SDS 编写专门的打印函数。
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