概念

Redis作為一個開源的用C編寫的非關系型數據庫，基于優秀的CRUD效率，常用于軟件系統的緩存，其本身提供了以下五種數據格式：

• string：字符串
• list：列表
• hash：散列表
• set：無序集合
• zset：有序集合

接下來我們就要針對這五種數據結構，來分析其底層的結構
這里選用的版本是redis-5.0.4，所以可能有很多地方和如今網絡上的其他博文不太一致，不同的地方我會在文中指出
string
因為redis使用c語言開發，所以自然沒有java和c++的那些字符串類庫，在redis中，其自己定義了一種字符串格式，叫做SDS（Simple Dynamic String），即簡單動態字符串
這個結構定義在sds.h中：

typedef char *sds;

但是這個sds類型僅作為參數和返回值使用，并不是真正用于操作的類型，真正核心的部分是下面的這些類：

struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr5 {unsigned char flags; char buf[]; }; struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr8 {uint8_t len; uint8_t alloc; unsigned char flags; char buf[]; }; struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr16 {uint16_t len;uint16_t alloc; unsigned char flags;char buf[]; }; struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr32 {uint32_t len;uint32_t alloc; unsigned char flags; char buf[]; }; struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr64 {uint64_t len; uint64_t alloc;unsigned char flags; char buf[]; };

除掉第一個結構體（已經棄用），sds具體類型的結構可以分為以下部分：

• len：已使用的長度，即字符串的真實長度
• alloc：除去標頭和終止符(’\0’)后的長度
• flags：低3位表示字符串類型，其余5位未使用（我暫時沒發現redis在哪里使用過這個屬性）
• buf[]：存儲字符數據

這里和老版本做一下對比，因為我手頭只有4.x和5.x的版本，它們sds的實現是一致的，但是據其他人說sds之前的版本實現方式不同，有時間我會去下載下來看一下，其將字符串分為以下部分：

• len：buf中已經占有的長度（表示此字符串的實際長度）
• free：buf中未使用的緩沖區長度
• buf[]：實際保存字符串數據的地方

redis同時寫重寫了大量的與sds類型相關的方法，那redis為什么要這么下功夫呢，有以下4個優點：

• 降低獲取字符串長度的時間復雜度到O(1)
• 減少了修改字符串時的內存重分配次數
• 兼容c字符串的同時，提高了一些字符串工具方法的效率
• 二進制安全（數據寫入的格式和讀取的格式一致）

list
我們查看源文件可以看到有兩個list，一個是ziplist，字面意是壓縮列表，另一個是quicklist，字面意是快速列表，在redis中直接使用的是quicklist，但是我們先來看ziplist
ziplist
ziplist并不是一個類名，其結構是下面這樣的： …
其中各部分代表的含義如下：

• zlbytes：4個字節（32bits），表示ziplist占用的總字節數
• zltail：4個字節（32bits），表示ziplist中最后一個節點在ziplist中的偏移字節數
• entries：2個字節（16bits），表示ziplist中的元素數 entry：長度不定，表示ziplist中的數據
• zlend：1個字節（8bits），表示結束標記，這個值固定為ff（255）

這些數據均為小端存儲，所以可能有些人查看數據的二進制流與其含義對應不上，其實是因為讀數據的方式錯了
ziplist內部采取數據壓縮的方式進行存儲，壓縮方式就不是重點了，我們僅從宏觀來看，ziplist類似一個封裝的數組，通過zltail可以方便地進行追加和刪除尾部數據、使用entries可以方便地計算長度
但是其依然有數組的缺點，就是當插入和刪除數據時會頻繁地引起數據移動，所以就引出了quicklist數據類型
quicklist
其核心數據結構如下：

typedef struct quicklist {quicklistNode *head;quicklistNode *tail;unsigned long count; /* ziplist所有節點的個數 */unsigned long len; /* quicklistNode節點的個數 */int fill : 16; /* 單個節點的填充因子 */unsigned int compress : 16; /* 壓縮端結點的深度 */ } quicklist;

我們可以明顯地看出，quicklist是一個雙向鏈表的結構，但是內部又涉及了ziplist，我們可以這么說，在宏觀上，quicklist是一個雙向鏈表，在微觀上，每一個quicklist的節點都是一個ziplist
在redis.conf中，可以使用下面兩個參數來進行優化：

• list-max-ziplist-size：表示每個quicklistNode的字節大小。默認為2，表示8KB
• list-compress-depth：表示quicklistNode節點是否要壓縮。默認為0，表示不壓縮

這種存儲方式的優點和鏈表的優點一致，就是插入和刪除的效率很高，而鏈表查詢的效率又由ziplist來進行彌補，所以quicklist就成為了list數據結構的首選
hash
hash這種結構在redis的使用時最為常見，在redis中，hash這種結構有兩種表示：zipmap和dict
zipmap
zipmap其格式形如下面這樣： <zmlen><len>"foo"<len><free>"bar"<len>"hello"<len><free>"world"
各部分的含義如下：

• zmlen：1個字節，表示zipmap的總字節數
• len：1~5個字節，表示接下來存儲的字符串長度
• free：1個字節，是一個無符號的8位數，表示字符串后面的空閑未使用字節數，由于修改與鍵對應的值而產生

這其中相鄰的兩個字符串就分別是鍵和值，比如在上面的例子中，就表示"foo" => "bar", "hello" => "world"這樣的對應關系

這種方式的缺點也很明顯，就是查找的時間復雜度為O(n)，所以只能當作一個輕量級的hashmap來使用
dict
這種方式就適于存儲大規模的數據，其格式如下：

typedef struct dict {dictType *type;/* 指向自定義類型的指針，可以存儲各類型數據 */void *privdata; /* 私有數據的指針 */dictht ht[2];/* 兩個hash表，一般只有h[0]有效，h1[1]只在rehash的時候才有值 */long rehashidx; /* -1：沒有在rehash的過程中，大于等于0：表示執行rehash到第幾步 */unsigned long iterators; /* 正在遍歷的迭代器個數 */ } dict;

如果我們不想更深入的話了解到這種程度就可以了，其中真正存儲數據的是dictEntry結構，如下：

typedef struct dictEntry {void *key;union {void *val;uint64_t u64;int64_t s64;double d;} v;struct dictEntry *next; } dictEntry;

很明顯是一個鏈表，我們知道這是采用鏈式結構存儲就足夠了
這種方式會消耗較多的內存，所以一般數據較少時會采用輕量級的zipmap
set
在redis中，我們可以查看intset.h文件，這是一個存儲整數的集合，其結構如下：

typedef struct intset {uint32_t encoding;uint32_t length;int8_t contents[]; } intset;

其中各字段含義如下：

• encoding：數據編碼格式，表示每個數據元素用幾個字節存儲（可取的值有2、4，和8）
• length：元素個數
• contents：柔性數組，這部分內存單獨分配，不包含在intset中

具體的操作我們就不詳細展開了，了解集合這種數據結構的應該都很清楚，我們這里說一下，intset有一個數據升級的概念，比方說我們有一個16位整數的set，這時候插入了一個32位整數，所以就導致整個集合都升級為32位整數，但是反過來卻不行，這也就是柔性數組的由來
如果集合過大，會采用dict的方式來進行存儲
zset
zset，有很多地方也叫做sorted set，是一個鍵值對的結構，其鍵被稱為member，也就是集合元素（zset依然是set，所以member不能相同），其對應的值被稱為score，是一個浮點數，可以理解為優先級，用于排列zset的順序
其也有兩種存儲方式，一種是ziplist/zipmap的格式，這種方式我們就不過多介紹了，只需要了解這種格式將數據按照score的順序排列即可
另一種存儲格式是采用了skiplist，意為跳躍表，可以看成平衡樹映射的數組，其查找的時間復雜度和平衡樹基本沒有差別，但是實現更為簡單，形如下面這樣的結構（圖來源跳躍表的原理）：

總結

以上是生活随笔為你收集整理的浅谈Redis五种数据结构的底层原理的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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