Redis底层数据结构之String

1. 前提回顾

前面我们说到redis的String数据结构在底层有多种编码方式。例如我们执行下面两条语句

set k1 v1
set age 17

我们查看类型，发现这类型都是String类型

我们现在查看底层的编码类型，发现编码类型一个是embstr一个是int类型，虽然都是String字符串，但redis根据value的不同类型设置了不同的编码方式

redisObject内部对应3大物理编码：int、embstr和raw

2. RedisObject三大数据类型简介

• int

它保存long型（长整型）的64位（8个字节）有符号整数（9223372036854775807，最高19位）。

只有整数才会使用int类型去编码，如果是浮点数，redis内部其实先将浮点数转化为字符串值，然后再保存。

• emstr

代表embstr格式的SDS（Simple Dynamic String 简单动态字符串），保存长度小于44字节的字符串，embstr即embedded String，表示嵌入式的String

• raw

保存长度大于44字节的字符串

下面给演示一下各个类型的使用：

首先长度小于19位的数字，类型为int

浮点数底层为emstr

长度超过19的数字，类型为emstr

普通字符串是emstr

长度超过44的字符串，为raw类型

长度超过44的浮点数，为raw类型

3. SDS字符串

我们知道c语言底层表示字符串本质上是用的一个char数组。但是redis没有直接复用C语言的字符串的底层实现，而是新建了属于自己的结构—SDS，在redis数据库里，包含字符串值的键值对都是由SDS实现的（redis中所有的键都是由字符串对象实现的即底层是由SDS实现，Redis所有的值对象中包含的字符串对象底层也是SDS实现的）

我们看一下sds结构体的源码：

typedef char *sds;/* Note: sdshdr5 is never used, we just access the flags byte directly.* However is here to document the layout of type 5 SDS strings. */
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr5 {unsigned char flags; /* 3 lsb of type, and 5 msb of string length */char buf[];
};
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr8 {uint8_t len; /* used */uint8_t alloc; /* excluding the header and null terminator */unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits */char buf[];
};
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr16 {uint16_t len; /* used */uint16_t alloc; /* excluding the header and null terminator */unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits */char buf[];
};
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr32 {uint32_t len; /* used */uint32_t alloc; /* excluding the header and null terminator */unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits */char buf[];
};
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr64 {uint64_t len; /* used */uint64_t alloc; /* excluding the header and null terminator */unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits */char buf[];
};

可以看到redis底层工定义了五种sds字符串的结构，分别是：sdshdr5、sdshdr8、sdshdr16、sdshdr32和sdshdr64。那么各个字段是什么意思：

• len：代表存储的字符串的长度
• alloc：存储了为字符串分配的内存空间的长度（即实际分配的空间大小，不包括结构体头部和字符串结束符 \0）
• flags：代表SDS字符串的类型，上面介绍类型的五种之一
• buf[]：真正存储字符串的char数组

那上面五种类型有什么不同？

sdshdr5：表示$2^5$即共32个字节
sdshdr8：表示$2^8$即256个字节
sdshdr16：表示$2^{16}$即65536个字节，64KB
sdshdr32：表示$2^{32}$即4GB
sdshdr64：表示$2^{64}$即17179869184G个字节

len表示SDS实际的长度，使我们在获取字符串的时候能够在O(1)时间复杂度情况下拿到，而不需要遍历一遍char数组

alloc：可以用来计算free就是字符串已经分配的未使用空间，这个值就可以引入预分配空间算法了，而不用去考虑内存分配问题

buf：字符串数组，真正存数据的

alloc 字段的作用是提供了对字符串进行动态增长的能力。当字符串需要扩容时，Redis 可以根据需要重新分配更大的内存空间，并将原有的内容复制到新的内存中，然后释放原来的内存。这样做的好处是可以减少频繁地进行内存分配和释放操作，提高了性能。举个例子，假设有一个 SDS 字符串，其实际长度为 10，但为了防止频繁的内存分配和释放操作，alloc 被设置为了 20。当这个字符串需要扩容时，Redis 可以直接在内存中分配一个长度为 20 的新空间，然后将原字符串内容复制到新的空间中，同时更新 len 和 alloc 字段。这样即使字符串长度增长，也不需要每次都重新分配内存，减少了系统的开销。

现在思考一个问题：Redis为什么不直接使用char数组，而是自己重写设计来一个SDS数据结构？

这是因为C语言没有Java里面的String类型，只能是靠自己的char[]来实现，字符串在C语言中的存储方式，如果现在我们想通过strlen命令获取value的长度，我们就需要从头开始遍历，知道遇到\0即可，这样操作的时间复杂度是O(n)，所以redis没有直接使用C语言传统的字符串标识，而是自己构建了一种名为简单动态字符串类型SDS，并作为redis的默认字符串类型。

4. SDS字符串源码分析

当我们输入set k1 v1 底层到底发生了什么？这里我们详细分析一下

首先看t_string.c文件

/* SET key value [NX] [XX] [KEEPTTL] [GET] [EX <seconds>] [PX <milliseconds>]*     [EXAT <seconds-timestamp>][PXAT <milliseconds-timestamp>] */
void setCommand(client *c) {//key的过期时间robj *expire = NULL;//时间的单位是sint unit = UNIT_SECONDS;int flags = OBJ_NO_FLAGS;if (parseExtendedStringArgumentsOrReply(c,&flags,&unit,&expire,COMMAND_SET) != C_OK) {return;}//c->args[2]就是value，这里调用tryObjectEncoding就是尝试堆value值进行编码，编码后的结果再保存到c->args[2]中c->argv[2] = tryObjectEncoding(c->argv[2]);setGenericCommand(c,flags,c->argv[1],c->argv[2],expire,unit,NULL,NULL);
}

当我们在cli写set k1 v1时，它底层本质上调用的是上面的setCommand命令

从上面代码代码可以看出字符串的编码和tryObjectEncoding这个函数时紧密相关的，我们来分析一下底层是怎么做的

• int

当字符串键值的内存可以用一个64位有符号整数表示时，Redis会将键值转化为long型来存储，此时即对于OBJ_ENDOCDING_INT编码类型。内存内存结构如下：

OBJECT_ENCODING_INT这个时Redis定义的一个常量，我们可以在object.c文件中看到

char *strEncoding(int encoding) {switch(encoding) {case OBJ_ENCODING_RAW: return "raw";case OBJ_ENCODING_INT: return "int";case OBJ_ENCODING_HT: return "hashtable";case OBJ_ENCODING_QUICKLIST: return "quicklist";case OBJ_ENCODING_LISTPACK: return "listpack";case OBJ_ENCODING_INTSET: return "intset";case OBJ_ENCODING_SKIPLIST: return "skiplist";case OBJ_ENCODING_EMBSTR: return "embstr";case OBJ_ENCODING_STREAM: return "stream";default: return "unknown";}
}

Redis启动时会预先建立10000个分别存储0～9999的redisObject变量做为共享变量，这意味着如果set字符串的键值在0~10000之间的话，就可以直接指向功效变量，而不需要再建立新对象，此时键值不占内存。（这和java中有些包装类设置缓存的原理一样）。如下面两条命令：

set k1 100
set k2 100

上面的缓存可以再server.h中可以看到定义:

#define OBJ_SHARED_INTEGERS 10000 //缓存去大小struct sharedObjectsStruct {robj *ok, *err, *emptybulk, *czero, *cone, *pong, *space,*queued, *null[4], *nullarray[4], *emptymap[4], *emptyset[4],*emptyarray, *wrongtypeerr, *nokeyerr, *syntaxerr, *sameobjecterr,*outofrangeerr, *noscripterr, *loadingerr,*slowevalerr, *slowscripterr, *slowmoduleerr, *bgsaveerr,*masterdownerr, *roslaveerr, *execaborterr, *noautherr, *noreplicaserr,*busykeyerr, *oomerr, *plus, *messagebulk, *pmessagebulk, *subscribebulk,*unsubscribebulk, *psubscribebulk, *punsubscribebulk, *del, *unlink,*rpop, *lpop, *lpush, *rpoplpush, *lmove, *blmove, *zpopmin, *zpopmax,*emptyscan, *multi, *exec, *left, *right, *hset, *srem, *xgroup, *xclaim,  *script, *replconf, *eval, *persist, *set, *pexpireat, *pexpire, *time, *pxat, *absttl, *retrycount, *force, *justid, *entriesread,*lastid, *ping, *setid, *keepttl, *load, *createconsumer,*getack, *special_asterick, *special_equals, *default_username, *redacted,*ssubscribebulk,*sunsubscribebulk, *smessagebulk,*select[PROTO_SHARED_SELECT_CMDS],*integers[OBJ_SHARED_INTEGERS],*mbulkhdr[OBJ_SHARED_BULKHDR_LEN], /* "*<value>\r\n" */*bulkhdr[OBJ_SHARED_BULKHDR_LEN],  /* "$<value>\r\n" */*maphdr[OBJ_SHARED_BULKHDR_LEN],   /* "%<value>\r\n" */*sethdr[OBJ_SHARED_BULKHDR_LEN];   /* "~<value>\r\n" */sds minstring, maxstring;
};

下面我们看看redis时如何利用这些缓存起来的对象的

/* Try to encode a string object in order to save space */
robj *tryObjectEncodingEx(robj *o, int try_trim) {long value;sds s = o->ptr;size_t len;serverAssertWithInfo(NULL,o,o->type == OBJ_STRING);if (!sdsEncodedObject(o)) return o;if (o->refcount > 1) return o;len = sdslen(s);if (len <= 20 && string2l(s,len,&value)) {if ((server.maxmemory == 0 ||!(server.maxmemory_policy & MAXMEMORY_FLAG_NO_SHARED_INTEGERS)) &&value >= 0 &&value < OBJ_SHARED_INTEGERS){decrRefCount(o);return shared.integers[value];} else {if (o->encoding == OBJ_ENCODING_RAW) {sdsfree(o->ptr);o->encoding = OBJ_ENCODING_INT;o->ptr = (void*) value;return o;} else if (o->encoding == OBJ_ENCODING_EMBSTR) {decrRefCount(o);return createStringObjectFromLongLongForValue(value);}}}/* If the string is small and is still RAW encoded,* try the EMBSTR encoding which is more efficient.* In this representation the object and the SDS string are allocated* in the same chunk of memory to save space and cache misses. */if (len <= OBJ_ENCODING_EMBSTR_SIZE_LIMIT) {robj *emb;if (o->encoding == OBJ_ENCODING_EMBSTR) return o;emb = createEmbeddedStringObject(s,sdslen(s));decrRefCount(o);return emb;}/* We can't encode the object...* Do the last try, and at least optimize the SDS string inside */if (try_trim)trimStringObjectIfNeeded(o, 0);/* Return the original object. */return o;
}robj *tryObjectEncoding(robj *o) {return tryObjectEncodingEx(o, 1);
}

关键是下面这几句代码

if ((server.maxmemory == 0 ||!(server.maxmemory_policy & MAXMEMORY_FLAG_NO_SHARED_INTEGERS)) &&value >= 0 &&value < OBJ_SHARED_INTEGERS){decrRefCount(o);return shared.integers[value];} else {if (o->encoding == OBJ_ENCODING_RAW) {sdsfree(o->ptr);o->encoding = OBJ_ENCODING_INT;o->ptr = (void*) value;return o;} else if (o->encoding == OBJ_ENCODING_EMBSTR) {decrRefCount(o);return createStringObjectFromLongLongForValue(value);}}

value < OBJ_SHARED_INTEGERS判断当前值是否小于10000，如何小于shared.integers[value]中直接拿值，上面也是对INT类型编码的核心源码

• embstr

上面我们分析了int类型是如何编码的，下面我们看看embstr类型是如何编码的

#define OBJ_ENCODING_EMBSTR_SIZE_LIMIT 44
robj *createStringObject(const char *ptr, size_t len) {if (len <= OBJ_ENCODING_EMBSTR_SIZE_LIMIT)return createEmbeddedStringObject(ptr,len);elsereturn createRawStringObject(ptr,len);
}robj *createEmbeddedStringObject(const char *ptr, size_t len) {//创建redisObject对象并分配内存，使用 zmalloc 函数分配了一块内存，用于存储字符串对象。这块内存的大小包括了字符串对象结构体 robj 的大小、sdshdr8 结构体的大小以及字符串的长度 len 加上一个字节用于字符串的结束符 \0。robj *o = zmalloc(sizeof(robj)+sizeof(struct sdshdr8)+len+1);//定义了一个 sdshdr8 结构体指针 sh，它指向了 robj 结构体之后的内存地址。这是因为 robj 结构体之后的内存空间被用来存储字符串数据的头信息。struct sdshdr8 *sh = (void*)(o+1);//类型表示为String类型o->type = OBJ_STRING;//编码为embstr编码o->encoding = OBJ_ENCODING_EMBSTR;//设置了 robj 结构体中的 ptr 字段为指向 sdshdr8 结构体之后的内存地址，即指向字符串的实际内容。o->ptr = sh+1;//引用计数为1o->refcount = 1;//使用次数0o->lru = 0;sh->len = len;sh->alloc = len;sh->flags = SDS_TYPE_8;if (ptr == SDS_NOINIT)sh->buf[len] = '\0';else if (ptr) {memcpy(sh->buf,ptr,len);sh->buf[len] = '\0';} else {memset(sh->buf,0,len+1);}return o;
}

首先len <= OBJ_ENCODING_EMBSTR_SIZE_LIMIT判断当前字符串的长度是否小于44，这前面也讲过为什么是44，如果小于则符合emstr类型，则调用createEmbeddedStringObject方法。我们看到ptr指针指向的位置为sh+1。我们从源码可以看出sh是robj 结构体位置，这就说明一个现象，即字符串SDS结构体和其对应的redisObject对象分配在同一连续内存空间，就像讲sds嵌入到redisObject中。

简单来说redisObject和对应的sdshdr8是在内存汇总紧挨着的，使用 embstr 编码时，字符串的内容直接存储在 robj 结构体之后的内存空间中，而不需要额外分配存储空间。这样做的好处是减少了内存分配和内存碎片，提高了内存使用效率。

• raw

我们继续回到tryEncodingEx方法，如果我们对象的字节数大于44，我们此时就是创建raw类型

obj *createObject(int type, void *ptr) {robj *o = zmalloc(sizeof(*o));o->type = type;o->encoding = OBJ_ENCODING_RAW;o->ptr = ptr;o->refcount = 1;o->lru = 0;return o;
}

当字符串长度大于44的超长字符串时，Redis则将键值的内部编码方式改为OBJ_ENCODING_RAW格式，这与OBJ_ENCODING_EMBSTR的编码方式不同，此时动态字符串sds的内存与其依赖的redisObject内存不再连续。

下面看一种特殊情况：

5. 总结

redis底层会根据用户给的键值使用不同的编码格式，自适应地选择较优化的内存编码格式，而这一切对用户完全透明！