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聊聊Redis数据结构中的String类型

来源:互联网 收集:自由互联 发布时间:2022-06-23
本篇文章带大家一起了解一下Redis数据结构中的String类型,并聊聊Redis的KV存储结构,希望对大家有所帮助! Redis常用作分布式KV缓存,很多人仅仅只会使用,却不知道底层却有着很多不为
本篇文章带大家一起了解一下Redis数据结构中的String类型,并聊聊Redis的KV存储结构,希望对大家有所帮助!

Redis常用作分布式KV缓存,很多人仅仅只会使用,却不知道底层却有着很多不为人知的秘密。【相关推荐:Redis视频教程】

String类型

String作为Redis支持的最基础的数据类型,首先我们来看下String,他的数据结构和存储是怎么样的。

重新定义SDS 去存储String

众所周知,redis是用c语言进行编写的,而c语言是没有String类型的,只有char[],并且在初始化的是时候就必须大小指定类型后就不能改变。为了实现动态增加和扩展等功能,如incr命令,append命令,所以redis就自己定义维护了一个SDS(Simple Dynamic String)来实现这些功能。

我们先来看一下redis源码中定义的数据结构,这里有5种类型,目的是为了节省空间。

1.png

1、len:获取char[]的长度,需要遍历数组,len(char[])时间复杂度O(n);
2、alloc:c语言没有String类型, 只有char[],且char[]必须先分配空间长度,char[]预先分配了长度,数据增长后需要扩容;

3、falgs:总是占用一个字节。其中的最低3个bit用来表示header的类型。header的类型共有5种,在sds.h中有常量定义。
4、buf[]:c语言的char数组,用'\0'代表结束,意味着存储二进制数据不能包含'\0',图片音频等用二进制存储会有问题——这就是为什么Redis说自己实现的SDS是二进制安全的字符串。

SDS对c原始char数组的改进

1、Redis实现的SDS支持扩容
2、包含长度len,获取长度复杂度O(1)
3、空间预分配
4、惰性空间释放(下面会讲)

SDS的优缺点

优点

  • 能够支持扩容
  • 包含长度len,获取长度复杂度O(1)
  • 空间预分配

缺点

  • 需要分配额外的内存
  • 频繁的分配和回收带来的效率问题

Redis 使用的内存分配库 jemalloc

jemalloc 在分配内存时,会根据我们申请的字节数 N,找一个比 N 大,但是最接近 N 的 2 的幂次数作为分配的空间,这样可以减少频繁分配的次数。举个例子。如果你申请 6 字节空间,jemalloc 实际会分配 8 字节空间;如果你申请 24 字节空间,jemalloc 则会分配 32 字节。所以,在我们刚刚说的场景里,dictEntry 结构就占用了 32 字节。

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 分配修改所必须要的空间, 还会为 SDS 分配额外的未使用空间。

其中, 额外分配的未使用空间数量由以下公式决定:

  • 如果对 SDS 进行修改之后, SDS 的长度(也即是 len 属性的值)将小于 1 MB , 那么程序分配和 len 属性同样大小的未使用空间, 这时 SDS len 属性的值将和 free 属性的值相同。 举个例子, 如果进行修改之后, SDS 的 len 将变成 13 字节, 那么程序也会分配13 字节的未使用空间, SDS 的 buf 数组的实际长度将变成 13 + 13 + 1 = 27 字节(额外的一字节用于保存空字符)。
  • 如果对 SDS 进行修改之后, SDS 的长度将大于等于 1 MB , 那么程序会分配 1 MB 的未使用空间。 举个例子, 如果进行修改之后, SDS 的 len 将变成 30 MB , 那么程序会分配 1 MB 的未使用空间, SDS 的 buf 数组的实际长度将为 30 MB + 1 MB + 1 byte 。

通过空间预分配策略, Redis 可以减少连续执行字符串增长操作所需的内存重分配次数。

惰性释放

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。

Redis的KV存储结构

在redis中,所有的存储都是以KV键值对的形式存储的,K是字符串类型,就是SDS;V 可能是字符串、list、hash等(Redis支持的数据结构),V并没有直接定成具体的类型,而是用redisObject封装了一层;实际存储的数据结构是由ptr指针具体指向。

并且,redis为了更好的节省空间,ptr指针也有不同方式的存储,一方面,当保存的是 Long 类型整数时,RedisObject 中的指针就直接赋值为整数数据了,这样就不用额外的指针再指向整数了,节省了指针的空间开销。另一方面,当保存的是字符串数据,并且字符串小于等于 44 字节时,RedisObject 中的元数据、指针和 SDS 是一块连续的内存区域,这样就可以避免内存碎片。这种布局方式也被称为 embstr 编码方式。当然,当字符串大于 44 字节时,SDS 的数据量就开始变多了,Redis 就不再把 SDS 和 RedisObject 布局在一起了,而是会给 SDS 分配独立的空间,并用指针指向 SDS 结构。这种布局方式被称为 raw 编码模式。如图所示

2.png

  • embstr 编码
    存储简短字符串,一次的内存分配;
    它是只读的,如果对内容进行修改,就会变成raw编码(即使没超过44字节);
  • raw 编码
    可分配多次内存空间,存储大于44个字节的长字符串。

raw 原生SDS 字符长度 缩减到小于44,会逆向变成embstr编码吗?
不会;Redis底层编码,转变后 不可逆(不会回退)。

总结

redis是常用的缓存中间件,我们必须了解清楚他的数据结构和存储,以便以使用的时候的选择更加合适的数据结构和内存的预估。

redis内存计算地址 http://www.redis.cn/redis_memory/

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