redis学习笔记1--底层数据结构与对象

1、数据结构与对象

（1）简单动态字符串
1、SDS的定义（简单动态字符串）
struct sdshdr{
int len；//记录buf所保存字符串的长度
int free；//记录buf中未使用的字符串的长度
char buf[]； //字节数组，用于保存字符串数据
}；
2、redis为何选用SDS而不是c字符串来作为字符串存储方式：
①：常数复杂度查询字符串的长度
②：杜绝缓冲区的溢出
③：减少修改字符串带来的内存重分配次数：空间预分配和惰性空间释放
④：2进制安全——可以保存文本数据和2进制数据
⑤：兼容部份c字符串函数
3、SDS的API
sdsnew、sdsempty、sdsfree、sdslen、sdsavail、sdsdup、sdsclear等。

（2）链表（链表键、发布与定阅、慢查询、监视器、客户端状态信息、客户端输出缓存区等功能都用到）
1、redis链表的实现
链表结构： head、tail、len、dup()、free()、match()
2、redis链表特性
特性：双端无环链表、存储表头表尾和链表长度等信息、保存不同类型的值

（3）字典（被广泛用于实现redis的各种功能，包括数据库和哈希键）
1、字典的实现
哈希表（dictht）、哈希表节点（dictEntry）、字典结构（dict）、键值对操作函数（dictType）。
2、哈希算法
采取的是MurmurHash2（2008年由Austin Appleby发明，速度快，规律输入也能随机散布，目前最新版本是MurmurHash3）。
3、解决键冲突
链地址法（新节点添加到链表的表头位置）
4、rehash（重新散列）
哈希表的扩大和收缩的实现方法：为ht[1]分配空间（大小为第1个大于下面数的2的n次方幂：ht[0].used*2(扩大)、ht[0].used（收缩））、将ht[0]的键值对迁移到ht[1]上面、迁移完成以后把释放ht[0]将ht[1]置为ht[0]并在ht[1]创建1个空白的哈希表。
扩大和收缩的履行条件：扩大（服务器目前没有履行BGSAVE命令或是BGREWRITEAOF命令，并且哈希表的负载因子大于等于1；或是正在履行BGSAVE命令或是BGREWRITEAOF命令并且哈希表的负载因子大于等于5）、收缩（哈希表的的负载因子小于0.1）。
5、渐进式rehash
rehashidx表明rehash的进度
6、字典API
dictCreate、dictAdd、dictReplace、dictFetchValue、dictGetRandomkey、dictDelete、dictRelease。

（4）跳表（以空间换时间，1个用于实现有序集合，另外一个用于集群节点的内部数据结构）
跳表的原理介绍：http://www.cnblogs.com/xuqiang/archive/2011/05/22/2053516.html
1、跳表的实现
zskiplist、skiplistNode两种结构组成
2、跳表的API
zslCreate、zslFree、zslDelete、zslInsert等。

（5）整数集合（intset）
1、整数集合的实现
typedef struct intset{
uint32_t encoding;//编码方式
uint32_t length;//集合所包括的元素数量
int8_t contents[];//保存元素的数组
}intset;

2、升级（upgrade）
当添加的新元素的类型比集合中现有所有的元素的类型都要长时，整数集合需要进行升级。
步骤：分配底层数组空间、将现有的数组进行转换到新元素的相同类型、将新元素添加到底层数组中去。

3、升级的好处
①提升灵活性
②节俭内存

4、降级
整数集合不支持降级操作，1旦对数组进行了升级操作以后， 编码就会1直保持在升级的状态。

5、整数集合的API
intsetNew、intsetAdd、intsetRemove、intsetFind、intsetRandom、intsetGet、intsetLen、intsetBlobLen

（6）紧缩列表（ziplist）
紧缩列表是列表键和哈希键的底层实现之1。当1个列表建或哈希键值包括少许的列表项或键值对时，并且每一个列表项或键值对要末是小整数值，要末就是长度比较短的字符串，那末redis就会采取紧缩列表来做其底层实现。

1、紧缩列表的构成
紧缩列表是由1系列特殊编码的连续内存块组成的顺序型（sequential）的数据结构。zlbytes（所占内存字节数）、zltail（紧缩列表尾部距离起始地址多少字节）、zllen（字节的数量）、entryX（列表节点）、zlend（列表末真个特殊值标记）。

2、紧缩列表节点的构成
previous_entry_length（记录前1个节点的长度：小于254字节时，此值为1个字节并保存长度；当大于等于254字节时，此值为5个字节，第1字节为0xFE，而以后4个字节保存前1个节点的长度）、encoding（记录节点content属性所保存数据的类型和长度：分为字节数组（1字节00、2字节01和5字节01开头，节点的长度结尾）和整数数组（11开头，后面表示整数的类型））、content（保存节点的值）3个部份组成。

3、连锁更新
要多个连续的长度介于250字节和253字节之间的节点，才会产生连锁更新，这类情况很少见；及时出现连锁更新，但只要更新的节点不多，就不会对性能造成多大的影响。因此实际使用操作函数的时候，没必要担心连锁更新会影响紧缩列表的性能。

4、紧缩列表的API
ziplistNew、ziplistPush、ziplistInsert、ziplistIndex、ziplistFind、ziplistNext、ziplistPrev、ziplistGet、ziplistDelete、ziplistDeleteRange、ziplistBlobLen、ziplistLen。

（7）对象
redis在履行命令之前，会根据对象的类型来判断1个对象是不是可以履行给定的命令； 针对不同的使用处景，为对象设置多种不同的数据结构实现，从而优化对象在不同场景的使用效力；除此，对象系统还实现了基于援用计数技术的内存回收机制，当程序不再使用某个对象的时候，对应的内存自动释放；另外还实现了对象同享机制，在适当的条件下，通过量个数据库键同享同1个对象来节俭内存；对象还带有访问时间记录信息，该信息可以用于计算数据库键的空转时长，在服务器启动了maxmemory功能的情况下，空转时长较长的那个键可能会优先被服务器删除。

1、对象的类型和编码
redisObject（type（类型）、encoding（编码）、ptr（指向底层数据结构的指针））。
REDIS_ENCODING_INT（使用整数值实现的字符串对象）
REDIS_ENCODING_EMBSTR（使用embstr编码的简单动态字符串实现的字符串对象）
REDIS_ENCODING_RAW（使用简单动态字符串实现的字符串对象）
REDIS_ENCODING_ZIPLIST（使用紧缩列表实现的列表对象、哈希对象、有序集合对象）
REDIS_ENCODING_LINKEDLIST（使用双端链表实现的列表对象）
REDIS_ENCODING_HT（使用字典实现的哈希对象、集合对象）
REDIS_ENCODING_INTSET（使用整数集合实现的集合对象）
REDIS_ENCODING_SKIPLIST（使用跳跃表和字典实现的有序集合对象）

2、字符串对象（int、embstr、raw编码方式）
编码的转换：embstr没有相应的修改程序，因此履行修改命令的时候，embstr格式的字符串总是先转换成raw再履行修改命令。

字符串命令的实现：对应各自的字符串操作API

3、列表对象（ziplist和linkedlist）
条件：对象的编码可使用ziplist（列表对象保存的所以字符串的长度都小于64字节并且列表保存的元素个数小于512）或linkedlist（除以上条件以外）。

**列表命令的实现:**ziplist对应ziplist的API函数；linkedlist对应linkedlist的API函数。

关于现在新的redis使用quicklist，结合了ziplist和linkedlist的优点，详情请参考：http://blog.csdn.net/a809146548/article/details/52013225

4、哈希对象（ziplist和hashtable）
条件：哈希对象保存的所有键值对的键和值的字符串长度都小于64字节，并且哈希对象保存的键值对数量小于512个就使用ziplist编码，否则使用hashtable编码。（这两个上限值都可以修改，配置文件中的hash-max-ziplist-value和hash-max-ziplist-entries）。

ziplist：同1键值对的两个节点紧挨在1起，键在前值在后；先添加的键值对在表头，后添加的在列表的表尾。

hashtable：字典的每一个键和值都是1个字符串对象。

哈希命令的实现：ziplist和hashtable对应的API。

5、集合对象（intset和hashtable）
转换编码的条件：集合对象保存的所有元素都是整数值并且元素的数量不超过512个 ，使用intset编码，否则使用hashtable编码。（第2个条件可以修改，参考配置文件hash-max-intset-entries）

集合命令的实现：对应intset和hashtable的API。
6、有序集合对象（ziplist和skiplist）
ziplist：每一个集合元素使用两个紧挨在1起的紧缩列表节点来保存，第1个节点保存元素的成员，第2个元素保存元素的分值；紧缩列表内的集合元素依照分值的大小进行排序，分值小的排在靠近表头的位置，分值大的元素排在靠近表尾的位置。

skiplist：使用zset结构作为底层实现，zset包括1个字典和1个跳跃表。同时使用字典和跳跃表能够同时保存字典O(1)的查找成员复杂度，也能保存跳跃表范围型操作的优点。字典和跳跃表同享元素的成员和分值，所以不会造成任何的数据重复，也不会因此而浪费内存。

编码的转换条件:有序集合的元素个数小于128个并且保存的所有元素成员的长度都小于64个字节时采取ziplist编码；否则使用skiplist编码。（这两个上限值都可以修改，配置文件中的hash-max-ziplist-value和hash-max-ziplist-entries）

有序集合命令的实现：对应ziplist和zset（skiplist）API。

7、类型检查与命令多态
命令分类：1种是对任何类型的键履行（DEL、EXPIRE等）；另外一类只能对特定的类型的键履行（SET、HDEL、SADD等）。

类型的检查（先检查key是不是是对应的类型），多态命令的履行（基于类型的多态（DEL），基于编码的多态（LLEN））。

8、内存回收
通过援用计数（refcount）进行对象的内存释放，为0时内存释放。

增加、减少和重置对象的援用计数的API：incrRefCount、decrRefCount、 resetRefCount。

0~9999在redis内部已创建同享字符串。

对象的生命周期：创建对象、操作对象、释放对象。

9、对象同享
键值相同的时候，同享1个字符串对象，相应的援用计数增加。（创建同享字符串对象的数量可以通过修改redis.h/REDIS_SHARED_INTEGERS常量来修改）

为何只同享字符串不同享其他对象：验证复杂度太高，CPU耗时多。
Object refcount key；
10、对象空转时长
Object idletime key；
配置文件的maxmemory选项和maxmemory-policy选项的说明有介绍对空转时间较长的那部份键进行优先释放。