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上一章我们讲了Redis的底层数据结构,不了解的人可能会有疑问:这个和平时用的五大对象有啥关系呢?这一章我们就主要解释他们所建立的联系。
看这个文章之前,如果对ziplist、skiplist、intset等数据结构不熟悉的话,建议先回顾一下上一章节:面试官:你看过Redis数据结构底层实现吗?
0. 五类对象分别是什么
五类对象就是我们常用的string、list、set、zset、hash
1. 为什么要有对象
我们平时主要是通过操作对象的api来操作redis,而不是通过它的调用它底层数据结构来完成(外观模式)。但我们还需要了解其底层,只有这样才能写最优化高效的代码。
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跟java一样,对象使开发更方便简洁,降低开发门槛。开发者不需要了解其复杂的底层API,直接调用高层接口即可实现开发。
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Redis根据对象类型来判断命令是否违法,如果你set key value1 value2就报错。
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对象下可以包含多种数据结构,使数据存储更加多态化。(下面主讲)
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Reids基于对象做了垃圾回收(引用计数法)。
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对象带有更丰富的属性,来帮助redis实现更高级的功能。(比如对象的闲置时间)。
2. Redis对象(RedisObject)源码分析
typedef struct redisObject { // 类型 unsigned type:4; // 编码 unsigned encoding:4; // 指向底层实现数据结构的指针 void *ptr; // ... } robj;
type字段
记录对象类型。
我们平时用的命令type <key>
,其实就是返回这个字段的属性。
127.0.0.1:6379> set hello world OK 127.0.0.1:6379> type hello string 127.0.0.1:6379> rpush list 1 2 3 (integer) 3 127.0.0.1:6379> type list list ...
那type有多少中类型呢?看下面这个表:
encoding字段
记录对象使用的编码(数据结构),Reids中称数据结构为encoding。
我们可以这样查看我们redis对象中的encoding:
127.0.0.1:6379> object encoding hello \"embstr\" 127.0.0.1:6379> object encoding list \"quicklist\" ...
既然它是标明该redisObject
是使用的什么数据结构,那肯定也有个对应的表:
我们可以看到,Redis对对象的底层encoding分的很细,String类型就有三个,其它四个对象都分别有两种不同的底层数据结构的实现。他们有一规律,就是用ziplist
、intset
、embstr
来实现少量的数据,数据量一旦庞大,就会升级到skiplist
、raw
、linkedlist
、ht
来实现,后面我会仔细讲解。
3. 分别分析各个对象的底层编码实现(数据结构)
3.1 字符串(string)
字符串编码有三个:int、raw、embstr。
3.1.1 int
当string对象的值全部是数字,就会使用int编码。
127.0.0.1:6379> set number 123455 OK 127.0.0.1:6379> object encoding number \"int\"
3.1.2 embstr
字符串或浮点数长度小于等于39字节,就会使用embstr编码方式来存储,embstr存储内存一般很小,所以redis一次性分配且内存连续(效率高)。
127.0.0.1:6379> set shortStr \"suwe suwe suwe\" OK 127.0.0.1:6379> object encoding shortStr \"embstr\"
3.1.2 raw
当一个字符串或浮点数长度大于39字节,就使用SDS来保存,编码为raw,由于不确定值的字节大小,所以键和值各分配各的,所以就分配两次内存(回收也是两次),同理它一定不是内存连续的。
127.0.0.1:6379> set longStr \"hello everyone, we dont need to sleep around to go aheard! do you think?\" OK 127.0.0.1:6379> object encoding longStr \"raw\"
3.1.3 编码转换
前面说过,Redis会自动对编码进行转换来适应和优化数据的存储。
int->raw
条件:数字对象进行append字母,就会发生转换。
127.0.0.1:6379> object encoding number \"int\" 127.0.0.1:6379> append number \" is a lucky number\" (integer) 24 127.0.0.1:6379> object encoding number \"raw\"
embstr->raw
条件:对embstr进行修改,redis会先将其转换成raw,然后才进行修改。所以embstr实际上是只读性质的。
127.0.0.1:6379> object encoding shortStr \"embstr\" 127.0.0.1:6379> append shortStr \"(hhh\" (integer) 18 127.0.0.1:6379> object encoding shortStr \"raw\"
3.2 列表(list)
列表对象编码可以是:ziplist或linkedlist。
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ziplist
压缩列表不知道大家还记得不,就是zlbytes zltail zllen entry1 entry2 ..end
结构,entry节点
里有pre-length、encoding、content
属性,忘记的可以返回去看下。 -
linkedlist
,类似双向链表,也是上一章的知识。
3.2.1 编码转换
ziplist->linkedlist
条件:列表对象的所有字符串元素的长度大于等于64字节 & 列表元素数大于等于512. 反之,小于64和小于512会使用ziplist而不是用linkedlist。
这个阈值是可以修改的,修改选项:
list-max-ziplist-value
和list-max-ziplist-entriess
3.3 哈希(hash)
哈希对象的编码有:ziplist和hashtable
3.3.1 编码转换
ziplist->hashtable
条件:哈希对象所有键和值字符串长度大于等于64字节 & 键值对数量大于等于512
这个阈值也是可以修改的,修改选项:
hash-max-ziplist-value
和hash-max-ziplist-entriess
3.4. 集合(set)
集合对象的编码有:intset和hashtable
3.4.1 intset
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集合对象所有元素都是整数
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集合对象元素数不超过512个
3.4.2 编码转换
intset->hashtable
条件:元素不都是整数 & 元素数大于等于512
3.5. 有序集合(zset)
有序集合用到的编码:ziplist和skiplist
大家可能很好奇阿,ziplist的entry中只有属性content可以存放数据,集合也是key-value
形式,那怎么存储呢?
第一个节点保存key、第二个节点保存value 以此类推...
3.5.1 为什么要用这两个编码
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如果只用ziplist来实现,无法做到元素的排序,不支持范围查找,能做到元素的快速查找。
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如果只用skiplist来实现,无法做到快速查找,但能做到元素排序、范围操作。
3.5.2 编码转换
ziplist->skiplist
条件:有序集合元素数 >= 128 & 含有元素的长度 >= 64
这个阈值也是可以修改的,修改选项:
zset-max-ziplist-value
和zset-max-ziplist-entriess
4. 垃圾回收
为什么要说内存回收呢,因为redisObject有一个字段:
typedef struct redisObject { // ... // 引用计数 int refcount; // ... } robj;
redis的垃圾回收采用引用计数法(和jvm一样),底层采用一个变量对对象的使用行为进行计数。
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初始化为1
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对象被引用,+1
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对象引用消除,-1
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计数器==0, 回收对象
5. 对象共享
5.1 对象共享的体现
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redis中,值是整数值且相等的两个对象,redis会将该对象进行共享,且引用计数+1
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redis启动会自动生成0-9999的整数值放到内存中来共享。
5.2 为什么要对象共享
节约内存
5.3 为什么不对字符串进行共享
成本太高。
验证整数相等只需要O(1)的时间复杂度,而验证字符串要O(n).
6. 对象的空闲时长
最后,redisObject还有一个字段,记录了对象最后一次被访问的时间:
typedef struct redisObject { // ... unsigned lru:22; // ... } robj;
因为这个字段记录对象最后一次被访问的时间,所以它可以用来查看该对象多久未使用,即:用当前时间-lru
127.0.0.1:6379> object idletime hello
(integer) 5110
它还关系到redis的热点数据实现,如果我们选择lr算法,当内存超出阈值后会对空闲时长较高的对象进行释放,回收内存。
参考文献:
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《Redis设计与实现》黄健宏著
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http://redisbook.com/index.html