從 RedisObject 說起

在 Redis 中，任意數(shù)據(jù)類型的鍵和值都會被封裝為一個 RedisObject ，也叫做Redis對象，源碼如下

/*server.h*/
typedef struct redisObject {
    unsigned type:4;
    unsigned encoding:4;
    unsigned lru:LRU_BITS; /* LRU time (relative to global lru_clock) or
                            * LFU data (least significant 8 bits frequency
                            * and most significant 16 bits access time). */
    int refcount;
    void *ptr;
} robj;

我們來看一下這個結(jié)構(gòu)體中的成員變量分別代表什么：

• unsigned type:4 ：對象類型，分別是 string hash list set zset ，占 4 個 bit 位，如下所示

#define OBJ_STRING 0    /* String object. */
#define OBJ_LIST 1      /* List object. */
#define OBJ_SET 2       /* Set object. */
#define OBJ_ZSET 3      /* Sorted set object. */
#define OBJ_HASH 4      /* Hash object. */

• unsigned encoding:4： 底層編碼方式，共有 11 種，4 個 bit 位

• unsigned lru:LRU_BITS ：該對象最后一次被訪問的時間，占 24 個 bit ，在 Redis 內(nèi)存回收中起到關(guān)鍵作用

• int refcount ：對象引用計數(shù)器，計數(shù)器為 0 則說明對象無人引用，可以被回收

• void *ptr：指針，指向存放實際數(shù)據(jù)的空間

我們注意到，在 Redis 中有 5 中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（用戶使用的），但在底層卻有 11 種編碼方式，Redis 會根據(jù)存儲的數(shù)據(jù)類型、存儲數(shù)據(jù)的大小，選擇不同的編碼方式，以獲得最優(yōu)的性能。一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)會對應(yīng)多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如下表所示。

下面，我們現(xiàn)在介紹以下 String 數(shù)據(jù)類型，及其底層的編碼方式。

Redis 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) -- String

String 類型的基本介紹和命令

String 類型，也就是字符串類型，是Redis中最簡單的存儲類型。它可以存儲字符串、整數(shù)或浮點數(shù)。下面是一些 String 類型常用的命令

• SET key value：設(shè)置指定 key 的值為指定的字符串或數(shù)字。

• GET key：獲取指定 key 的值。

本地虛擬機redis:0>set key01 value01
"OK"
本地虛擬機redis:0>get key01
"value01"

• INCR key：將指定 key 的值加 1，如果該 key 不存在，則先將其設(shè)置為 0，再進行加 1 操作。

• DECR key：將指定 key 的值減 1，如果該 key 不存在，則先將其設(shè)置為 0，再進行減 1 操作。

• INCRBY key increment：將指定 key 的值增加指定的增量。

• DECRBY key decrement：將指定 key 的值減少指定的減量。

• APPEND key value：將指定的值追加到指定 key 的值的末尾。

• STRLEN key：返回指定 key 的值的長度。

• GETRANGE key start end：返回指定 key 的值的子字符串，根據(jù)起始位置和結(jié)束位置指定。

• SETRANGE key offset value：將指定 key 的值從指定偏移位置開始，替換為指定的字符串。

• MSET key1 value1 [key2 value2 ...]：同時設(shè)置多個 key 的值。（”[ ]” 中括號內(nèi)表示可選）

• MGET key1 [key2 ...]：獲取多個 key 的值。

?? 這里僅給出 SET、GET 命令，其他的請自行測試。這些命令只是 Redis String 類型命令的一小部分，Redis 還提供了其他更多的命令來處理 String 類型的數(shù)據(jù)。你可以參考 Redis 官方文檔以獲取完整的命令列表和詳細的命令說明。

String 類型的底層實現(xiàn)

在 Redis 中，String 類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并不是采用 C 語言中自帶的字符串類型，C 語言中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存在很多問題，比如：

• 獲取字符串長度的需要通過運算
• 非二進制安全
• 不可修改

因此，String 在 Redis 中有其他三種編碼方式： int、embstr、raw 。其中， raw 和 embstr 類型，都是基于動態(tài)字符串（SDS）實現(xiàn)的，下面我們先來看看動態(tài)字符串的結(jié)構(gòu)是怎樣的。

動態(tài)字符串（SDS）

動態(tài)字符串的結(jié)構(gòu)體如下

struct __attribute__ ((__packed__)) hisdshdr8 {
    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[];
};

這里解釋一下結(jié)構(gòu)體中各個成員變量的作用：

• len：已經(jīng)保存的字符串字節(jié)數(shù)，不包含結(jié)束標示
• alloc：申請的總的字節(jié)數(shù)，不包含結(jié)束標示
• flags：不同的 SDS 的頭類型，用來控制 SDS 的頭大小
• buf[]：真正存儲數(shù)據(jù)

我們先來聊一下 flags 這個成員變量。在 redis 中其實定義了 5 個 SDS結(jié)構(gòu)體（其中 hisdshdr5 已經(jīng)棄用）如圖所示。他們之間的主要區(qū)別在于 len 和 alloc 的長度不同。

在 redis 中，為了盡可能地節(jié)省內(nèi)存空間，當字符串長度在不同的區(qū)間時，會選擇不同的結(jié)構(gòu)體，例如：

• 當字符串長度在 0~255 個字節(jié)之間時，會選擇 hisdshdr8 ，這樣一來，用于表示字符串字節(jié)數(shù)和申請的總字節(jié)數(shù)的空間就會被大大節(jié)省，以此類推。

例如，一個包含字符串“name”的 sds 結(jié)構(gòu)如下：

SDS之所以叫做動態(tài)字符串，是因為它具備動態(tài)擴容的能力，例如一個內(nèi)容為 “hello” 的 SDS，假如我們要給這個 SDS 追加一段字符串 ”world” ，這里首先會申請新內(nèi)存空間：

• 如果新字符串小于1M，則新空間為擴展后字符串長度的兩倍+1
• 如果新字符串大于1M，則新空間為擴展后字符串長度+1M+1。

這種機制稱為內(nèi)存預(yù)分配。內(nèi)存預(yù)分配可以減少進行內(nèi)存重新分配的開銷，減少內(nèi)存碎片，使得 redis 的性能得到提高，空間利用率也得到提高。

String 的三種編碼方式

RAW

• raw 是 string 的基本編碼方式，基于簡單動態(tài)字符串（SDS）實現(xiàn)，存儲上限為512mb。當一個字符串采用 raw 的編碼方式的時候，它的結(jié)構(gòu)如圖所示。

EMBSTR

• 如果存儲在 SDS 中的數(shù)據(jù)小于等于 44 字節(jié)，則會采用 EMBSTR 編碼，此時 **RedisObject 與 SDS 是一段連續(xù)空間。而不是像 RAW 的編碼方式一樣，由 ptr 指向另外一片空間，**申請內(nèi)存時只需要調(diào)用一次內(nèi)存分配函數(shù)，效率更高。結(jié)構(gòu)如下，

?? 為什么是 44 字節(jié)？Redis 默認的內(nèi)存分配器 jemalloc 分配內(nèi)存大小的單位是 $2^n$ ，因此，如果分配的空間大小為 2、4 、8 … 字節(jié)等 $2^n$ 字節(jié)，就不會產(chǎn)生內(nèi)存碎片。

而 redisObject 和 hisdshdr8 中 len alloc flags三個成員變量加起來剛剛好是 16 + 4 = 20 字節(jié)，如果 char[] （數(shù)據(jù)大?。┑拇笮?44 字節(jié)時，加起來剛剛好是 64 字節(jié)，也即 262^626 不會產(chǎn)生內(nèi)存碎片。

• RAW 和 EMBSTR 的編碼演示

/* 44個v,采用embstr編碼*/
本地虛擬機redis:0>set key vvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvv
"OK"
本地虛擬機redis:0>object encoding key
"embstr"
/* 45個v,采用embstr編碼*/
本地虛擬機redis:0>set key vvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvv
"OK"
本地虛擬機redis:0>object encoding key
"raw"

INT

• 如果存儲的字符串是整數(shù)值，并且大小在 LONG MAX 范圍內(nèi)，則會采用 INT 編碼
• 直接將數(shù)據(jù)保存在 RedisObject 的 ptr 指針位置（剛好8字節(jié))，不再需要SDS了。

• INT 編碼演示

本地虛擬機redis:0>set key 12
"OK"
本地虛擬機redis:0>object encoding key
"int"

寫在最后：在使用 string 類型時，盡可能讓其長度小于 44 字節(jié)，或者使用整數(shù)表示，使其使用 EMBSTR 和 INT 編碼

以上就是淺析Redis中String數(shù)據(jù)類型及其底層編碼的詳細內(nèi)容，更多關(guān)于Redis Redis數(shù)據(jù)類型及編碼的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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