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簡單動態字符串(simple dynamic string)SDS

發布時間:2020-08-10 21:42:27 來源:ITPUB博客 閱讀:151 作者:a1322674015 欄目:編程語言

Redis 沒有直接使用C語言傳統的字符串表示,而是自己構建了一種名為簡單動態字符串(simple dynamic string SDS)的抽象類型,并將SDS用作Redis 的默認字符串表示:

10.143.128.165:6379> SET msg "hello world"
OK

設置一個key= msg,value = hello world 的新鍵值對,

鍵(key)是一個字符串對象,對象的底層實現是一個保存著字符串“msg” 的SDS;

值(value)也是一個字符串對象,對象的底層實現是一個保存著字符串“hello world” 的SDS

SDS除了用來保存字符串以外,SDS還被用作緩沖區(buffer)AOF模塊中的 AOF緩沖區

SDS 的定義

Redis 中定義動態字符串的結構:

/*  
 * 保存字符串對象的結構  
 */  
struct sdshdr {       
    int len;// buf 中已占用空間的長度      
    int free;// buf 中剩余可用空間的長度    
    char buf[];// 數據空間  
};

簡單動態字符串(simple dynamic string)SDS

1、len 變量,用于記錄buf 中已經使用的空間長度(這里指出Redis 的長度為5)

2、free 變量,用于記錄buf 中還空余的空間( 初次分配空間,一般沒有空余,在對字符串修改的時候,會有剩余空間出現

3、buf 字符數組,用于記錄我們的字符串(記錄Redis)

SDS 與 C 字符串的區別

C 字符串 SDS
獲取字符串長度的復雜度為O(N) 獲取字符串長度的復雜度為O(1)
API 是不安全的,可能會造成緩沖區溢出 API 是安全的,不會造成緩沖區溢出
修改字符串長度N次必然需要執行N次內存重分配 修改字符串長度N次最多執行N次內存重分配
只能保存文本數據 可以保存二進制數據和文本文數據
可以使用所有<String.h>庫中的函數 可以使用一部分<string.h>庫中的函數

1 獲取字符串長度(SDS O(1)/C 字符串 O(n))

傳統的C 字符串 使用長度為N+1 的字符串數組來表示長度為N 的字符串,所以為了獲取一個長度為C字符串的長度,必須遍歷整個字符串。

SDS 的數據結構中,有專門用于保存字符串長度的變量,可以通過獲取len 屬性的值,直接知道字符串長度。

簡單動態字符串(simple dynamic string)SDS

2 杜絕緩沖區溢出

C 字符串 不記錄字符串長度,除了獲取的時候復雜度高以外,還容易導致緩沖區溢出。

假設程序中有兩個在內存中緊鄰著的 字符串 s1 和 s2,其中s1 保存了字符串“redis”,二s2 則保存了字符串“MongoDb”:

簡單動態字符串(simple dynamic string)SDS

如果我們現在將s1 的內容修改為 redis cluster,但是又忘了重新為s1 分配足夠的空間,這時候就會出現以下問題:

簡單動態字符串(simple dynamic string)SDS

原本s2 中的內容已經被S1的內容給占領了,s2 現在為 cluster,而不是“Mongodb”。

當需要對一個SDS 進行修改的時候,redis 會在執行拼接操作之前,預先檢查給定SDS 空間是否足夠,如果不夠,會先拓展SDS 的空間,然后再執行拼接操作:

簡單動態字符串(simple dynamic string)SDS 簡單動態字符串(simple dynamic string)SDS

3 減少修改字符串時帶來的內存重分配次數

C語言字符串在進行字符串的擴充和收縮的時候,都會面臨著內存空間的重新分配問題。

1. 字符串拼接會產生字符串的內存空間的擴充,在拼接的過程中,原來的字符串的大小很可能小于拼接后的字符串的大小,那么這樣的話,就會導致一旦忘記申請分配空間,就會導致內存的溢出。

2. 字符串在進行收縮的時候,內存空間會相應的收縮,而如果在進行字符串的切割的時候,沒有對內存的空間進行一個重新分配,那么這部分多出來的空間就成為了內存泄露。

我們需要對下面的SDS進行拓展,則需要進行空間的拓展,這時候redis 會將SDS的長度修改為13字節,并且將未使用空間同樣修改為1字節

簡單動態字符串(simple dynamic string)SDS 簡單動態字符串(simple dynamic string)SDS 

因為在上一次修改字符串的時候已經拓展了空間,再次進行修改字符串的時候會發現空間足夠使用,因此無須進行空間拓展

簡單動態字符串(simple dynamic string)SDS

通過這種預分配策略,SDS將連續增長N次字符串所需的內存重分配次數從必定N次降低為最多N次

4 惰性空間釋放

SDS 的free 屬性,是用于記錄空余空間的。除了在拓展字符串的時候會使用到free 來進行記錄空余空間以外,在對字符串進行收縮的時候,也可以使用free 屬性來進行記錄剩余空間,避免下次對字符串進行再次修改的時候,需要對字符串的空間進行拓展。

SDS 提供了相應的API,可以在有需要的時候,自行釋放SDS 的空余空間。

通過惰性空間釋放,SDS 避免了縮短字符串時所需的內存重分配操作,并未將來可能有的增長操作提供了優化

5 二進制安全

C 字符串中的字符必須符合某種編碼,并且除了字符串的末尾之外,字符串里面不能包含空字符,否則最先被程序讀入的空字符將被誤認為是字符串結尾,這些限制使得C字符串只能保存文本數據,而不能保存想圖片,音頻,視頻,壓縮文件這樣的二進制數據。

Redis 不是靠空字符來判斷字符串的結束的,而是通過len這個屬性

簡單動態字符串(simple dynamic string)SDS

6 兼容部分C字符串函數

雖然SDS 的API 都是二進制安全的,但一樣遵循C字符串 以空字符串結尾的慣例。

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鏈表

鏈表提供了高效的節點重排能力,以及順序性的節點訪問方式,并且可以通過增刪節點來靈活地調整鏈表的長度。

Redis 中 列表鍵的底層實現之一就是鏈表。當一個列表鍵包含了數量較多的元素,又或者列表中包含的元素都是比較長的字符串時,Redis 就會使用鏈表作為列表鍵的底層實現。

每個鏈表節點使用一個  listNode結構表示:

typedef struct listNode{
      struct listNode *prev;
      struct listNode * next;
      void * value;  
}

多個鏈表節點組成的雙端鏈表:

簡單動態字符串(simple dynamic string)SDS

list:

typedef struct list{   
    listNode  * head;//表頭節點  
    listNode  * tail;//表尾節點   
    unsigned long len;//鏈表長度   
    void *(*dup) (void *ptr);//節點值復制函數 
    void (*free) (void *ptr);//節點值釋放函數 
    int (*match)(void *ptr, void *key);//節點值對比函數
}

簡單動態字符串(simple dynamic string)SDS

鏈表的特性

  • 雙端:鏈表節點帶有prev 和next 指針,獲取某個節點的前置節點和后置節點的時間復雜度都是O(N)
  • 無環:表頭節點的 prev 指針和表尾節點的next 都指向NULL,對立案表的訪問時以NULL為截止
  • 表頭和表尾:因為鏈表帶有head指針和tail 指針,獲取鏈表頭結點和尾節點的時間復雜度為O(1)
  • 長度計數器:鏈表中存有記錄鏈表長度的屬性 len
  • 多態:鏈表節點使用 void* 指針來保存節點值,并且可以通過list 結構的dup 、 free、 match三個屬性為節點值設置類型特定函數。

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字典

字典,又稱為符號表(symbol table)、關聯數組(associative array)或映射(map),是一種用于保存鍵值對的抽象數據結構。 

在字典中,一個鍵(key)可以和一個值(value)進行關聯,字典中的每個鍵都是獨一無二的。在C語言中,并沒有這種數據結構,但是 Redis 中構建了自己的字典實現

10.143.128.165:6379> SET msg "hello world"
OK

字典的定義

1 哈希表

Redis 字典所使用的哈希表由 dict.h/dictht 結構定義:

typedef struct dictht {  
   dictEntry **table; //哈希表數組  
   unsigned long size;//哈希表大小   
   unsigned long sizemask;//哈希表大小掩碼,用于計算索引值  
   unsigned long used;//該哈希表已有節點的數量
}

一個空的字典的結構圖如下:

簡單動態字符串(simple dynamic string)SDS

在結構中存有指向dictEntry 數組的指針,而我們用來存儲數據的空間就是 dictEntry

 2. 哈希表節點( dictEntry )
typeof struct dictEntry{
   void *key; //鍵
   union{   //值
      void *val;
      uint64_tu64;
      int64_ts64;
   }
   struct dictEntry *next;
}

在數據結構中,key 是唯一的,但是存入里面的key 并不是直接的字符串,而是一個hash 值,通過hash 算法,將字符串轉換成對應的hash 值,然后在dictEntry 中找到對應的位置。

如果出現hash 值相同的情況,Redis 采用了 鏈地址法:

簡單動態字符串(simple dynamic string)SDS

當k1 和k0 的hash 值相同時,將k1中的next 指向k0 形成一個鏈表。

3 字典
typedef struct dict {  
    dictType *type;  // 類型特定函數    
    void *privedata; // 私有數據   
    dictht  ht[2];  // 哈希表  
    in trehashidx; // rehash 索引
}

type 屬性 和privdata 屬性是針對不同類型的鍵值對,為創建多態字典而設置的。

ht 屬性是一個包含兩個項(兩個哈希表)的數組

普通狀態下的字典:

簡單動態字符串(simple dynamic string)SDS

解決哈希沖突

在插入一條新的數據時,會進行哈希值的計算,如果出現了hash值相同的情況,Redis 中采用了連地址法(separate chaining)來解決鍵沖突。每個哈希表節點都有一個next 指針,多個哈希表節點可以使用next 構成一個單向鏈表,被分配到同一個索引上的多個節點可以使用這個單向鏈表連接起來解決hash值沖突的問題。

簡單動態字符串(simple dynamic string)SDS

 現在要插入k2,通過hash 算法計算到k2 的hash 值為2,即需要將k2 插入到dictEntry[2]中:

簡單動態字符串(simple dynamic string)SDS

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