Redis的底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)非常多，其中包括SDS、ZipList、SkipList、LinkedList、HashTable、Intset等。如果你對(duì)Redis的理解還只停留在get、set的水平的話，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以應(yīng)對(duì)面試提問(wèn)的。本文簡(jiǎn)單介紹了Redis底層最重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) - 簡(jiǎn)單動(dòng)態(tài)字符串(SDS)。

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Redis使用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，但并沒(méi)有使用C語(yǔ)言傳統(tǒng)的字符串表示(以空字符結(jié)尾的字節(jié)數(shù)組，以下簡(jiǎn)稱C字符串)，而是自己構(gòu)建了一種名為簡(jiǎn)單動(dòng)態(tài)字符串的(simple dynamic string，SDS)的抽象類型，并將SDS用作Redis的默認(rèn)字符串表示。

在Redis里面，C字符串只會(huì)作為字符串字面量(static literal)用在一些無(wú)須對(duì)字符串值進(jìn)行修改的地方。當(dāng)Redis需要的不僅僅是一個(gè)字符串字面量，而是一個(gè)可以被修改的字符串值時(shí)，Redis就會(huì)使用SDS來(lái)表示字符串值，比如在Redis的數(shù)據(jù)庫(kù)里面，包含字符串的鍵值對(duì)在底層都是由SDS實(shí)現(xiàn)的。

咱們來(lái)舉個(gè)例子，如果在客戶端執(zhí)行命令：

redis> SET msg "hello world" 
ok 

那么Redis將在數(shù)據(jù)庫(kù)中創(chuàng)建一個(gè)新的鍵值對(duì)，其中：

鍵值對(duì)的鍵是一個(gè)字符串對(duì)象，對(duì)象的底層實(shí)現(xiàn)是一個(gè)保存著字符串“msg”的SDS。

鍵值對(duì)的值也是一個(gè)字符串對(duì)象，對(duì)象的底層實(shí)現(xiàn)是一個(gè)保存著字符串“hello world”的SDS。

除了用來(lái)保存數(shù)據(jù)庫(kù)中的字符串值之外，SDS還被用作緩沖區(qū)：AOF模塊中的AOF緩沖區(qū)，以及客戶端狀態(tài)中的輸入緩沖區(qū)，都是由SDS實(shí)現(xiàn)的。總之，SDS是Redis的最基礎(chǔ)也是最重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

1.SDS的定義

每個(gè) sds.h/sdshdr 結(jié)構(gòu)表示一個(gè)SDS值：

struct sdshdr{ 
    // 記錄buf數(shù)組中已使用字節(jié)的數(shù)量 
    // 等于SDS所保存字符串的長(zhǎng)度 
    int len; 
     
    // 記錄buf數(shù)組中未使用字節(jié)的數(shù)量 
    int free; 
    //字節(jié)數(shù)組，用于保存字符串 
    char buf[]; 
} 

用一張圖來(lái)表示：

SDS 遵循 C 字符串以空字符結(jié)尾的慣例， 保存空字符的 1字節(jié)空間不計(jì)算在 SDS 的 len 屬性里面， 并且為空字符分配額外的 1 字節(jié)空間， 以及添加空字符到字符串末尾等操作都是由 SDS 函數(shù)自動(dòng)完成的， 所以這個(gè)空字符對(duì)于 SDS 的使用者來(lái)說(shuō)是完全透明的。

2.SDS與C字符串的區(qū)別

現(xiàn)在來(lái)說(shuō)，C語(yǔ)言使用長(zhǎng)度為N+1的字符數(shù)組來(lái)表示長(zhǎng)度為N的字符串，并且字符數(shù)組的***一個(gè)元素總是空字符“”。

C的這種簡(jiǎn)單的字符串表達(dá)方式，并不能滿足Redis對(duì)字符串在安全性、效率以及功能方面的要求。具體有以下幾個(gè)方面。

2.1 常數(shù)復(fù)雜度獲取字符串長(zhǎng)度

因?yàn)镃字符串并不記錄字符串的長(zhǎng)度信息，所以為了獲取一個(gè)C字符串的長(zhǎng)度，程序必須遍歷整個(gè)字符串，對(duì)遇到的每個(gè)字符進(jìn)行計(jì)數(shù)，直到遇到空字符為止，這個(gè)操作的復(fù)雜度為O(n)。而在Redis的SDS中，這個(gè)時(shí)間復(fù)雜度只有O(1)。

2.2 杜絕緩沖區(qū)溢出

除了獲取字符串長(zhǎng)度的復(fù)雜度高之外，C字符不記錄自身長(zhǎng)度帶來(lái)的另一個(gè)問(wèn)題就是緩沖區(qū)溢出。舉個(gè)例子，C語(yǔ)言的 strcat 函數(shù)可以將字符串中的內(nèi)容拼接到 dest 字符串的末尾，但是當(dāng)字符串的容量不夠就會(huì)產(chǎn)生緩存區(qū)溢出，因?yàn)樽址彩腔跀?shù)組實(shí)現(xiàn)的，也是有大小限制的。

Redis的SDS已經(jīng)杜絕了這個(gè)問(wèn)題，那它是如何解決的呢?

當(dāng)API要對(duì)SDS進(jìn)行修改時(shí)，API會(huì)先檢查SDS的空間是否滿足修改所需的空間，如果不夠的話，API會(huì)自動(dòng)將SDS的空間進(jìn)行擴(kuò)容，然后才執(zhí)行實(shí)際的修改操作。這就避免了緩沖區(qū)內(nèi)存溢出。

2.3 減少修改字符串時(shí)帶來(lái)的內(nèi)存重分配次數(shù)

上面說(shuō)到了API會(huì)在修改SDS字符串時(shí)自動(dòng)擴(kuò)容，如果每次修改都伴隨著對(duì)字符串內(nèi)的數(shù)組的內(nèi)存重分配，那效率可想而知。所以Redis實(shí)現(xiàn)了空間預(yù)分配和惰性空間釋放兩種優(yōu)化策略。

空間預(yù)分配

空間預(yù)分配用于優(yōu)化SDS的字符串增長(zhǎng)操作：當(dāng)SDS的API對(duì)一個(gè)SDS進(jìn)行修改，并且需要對(duì)SDS進(jìn)行空間擴(kuò)展的時(shí)候，程序不僅會(huì)為SDS分配修改所需要的空間，還會(huì)為SDS分配額外的未使用空間。

總的來(lái)說(shuō)，額外分配的未使用空間數(shù)量大小有兩種可能：

如果對(duì)SDS修改之后，SDS的長(zhǎng)度將小于1MB，那么程序分配和len 屬性同樣大小的未使用空間，這時(shí)候SDS的 free 屬性的值將和 len 屬性的值相同。也就是說(shuō)，該SDS字符串修改完后還有近一半的容量。

如果對(duì)SDS修改之后，SDS的長(zhǎng)度大于等于1MB，那么程序會(huì)分配1MB的未使用空間。這個(gè)是固定的。

通過(guò)空間預(yù)分配，Redis可以減少連續(xù)執(zhí)行字符串操作所需的內(nèi)存重分配次數(shù)。

惰性空間釋放

惰性空間釋放用于優(yōu)化SDS的字符串縮短操作：當(dāng)SDS的API需要縮短SDS保存的字符串時(shí)，程序并不立即使用內(nèi)存重分配來(lái)回收縮短后多出來(lái)的字節(jié)，而是使用 free 屬性將這些字節(jié)的數(shù)量記錄起來(lái)，并等待將來(lái)使用。

2.4 二進(jìn)制安全

在C語(yǔ)言中，字符串的存儲(chǔ)必須符合某種編碼(ASCII)，并且字符串不能包含空字符，否則會(huì)被認(rèn)為是字符串結(jié)尾。這些限制使得C字符串只能保存文本數(shù)據(jù)，而不能保存像圖片、音頻、視頻、壓縮文件這樣的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。

所以，為了解決C字符串的不足，Redis的 buf 數(shù)組保存的是二進(jìn)制數(shù)據(jù)，這也就是把SDS的 buf 數(shù)組稱為字節(jié)數(shù)組的原因。

2.5 兼容部分C字符串函數(shù)

雖然 Redis 的API都是二進(jìn)制安全的，但它們一樣遵循C字符串以空字符串結(jié)尾的慣例，這些API總會(huì)將SDS保存的數(shù)據(jù)的末尾設(shè)置為空字符，并且總會(huì)在為 buf 數(shù)組分配空間時(shí)多分配一個(gè)字節(jié)來(lái)容納這個(gè)空字符，這是為了讓那些保存文本數(shù)據(jù)的SDS可以重用一部分C的函數(shù)。

舉個(gè)例子， 如果我們有一個(gè) SDS 的指針 s ， 那么我們可以直接使用 stdio.h/printf 函數(shù)， 通過(guò)執(zhí)行以下語(yǔ)句：

printf("%s", s->buf); 

來(lái)打印出 SDS 保存的字符串值 "Redis" ， 而無(wú)須為 SDS 編寫專門的打印函數(shù)。