Redis 源码解析 10：五大数据类型之有序集合
有序集合 sorted set (下面我们叫zset 吧) 有两种编码方式：压缩列表 ziplist 和跳表 skiplist。
编码一：ziplist
zset 在 ziplist 中，成员(member)和分数(score)是挨在一起的，元素按照分数从小到大存储。
举个例子，我们用以下命令创建一个zset：
redis＞ ZADD key 26.1 z 1 a 2 b
(integer) 3
那么这个zset的结构大致如下：
下面我们来分析一下 zscore 命令的源码，进一步了解 zset 是如何利用 ziplist 存储的
int zsetScore(robj *zobj, sds member, double *score) {
// ...
if (zobj->encoding == OBJ_ENCODING_ZIPLIST) {
if (zzlFind(zobj->ptr, member, score) == NULL) return C_ERR;
}
// ...
return C_OK;
}
unsigned char *zzlFind(unsigned char *zl, sds ele, double *score) {
// eptr 是 member 的指针，sptr 是 score 的指针
unsigned char *eptr = ziplistIndex(zl,0), *sptr;
// 遍历 ziplist
while (eptr != NULL) {
// 因为 member 和 score 是挨着存储的，所以获取 member 的下一个节点就是 score 啦
sptr = ziplistNext(zl,eptr);
serverAssert(sptr != NULL);
// 对比当前的 member 和要查询的 member 是否相等
if (ziplistCompare(eptr,(unsigned char*)ele,sdslen(ele))) {
// 如果相等，则获取分数
if (score != NULL) *score = zzlGetScore(sptr);
return eptr;
}
// 不相等则继续往下遍历
eptr = ziplistNext(zl,sptr);
}
return NULL;
}
// 获取分数
double zzlGetScore(unsigned char *sptr) {
unsigned char *vstr;
unsigned int vlen;
long long vlong;
char buf[128];
double score;
serverAssert(sptr != NULL);
// ziplistGet 通过 sptr 指针获取值。根据节点的编码(前文有说到ziplist节点的编码) 对参数赋值
// 如果是字符串，则赋值到 vstr; 如果是整数，则赋值到 vlong。
serverAssert(ziplistGet(sptr,&vstr,&vlen,&vlong));
if (vstr) {
// 如果是字符串，那么存的就是浮点数
memcpy(buf,vstr,vlen);
buf[vlen] = '\0';
// 字符串转换成浮点数
score = strtod(buf,NULL);
} else {
// 整数类型就直接赋值
score = vlong;
}
return score;
}
编码二：skiplist
跳表的实现
skiplist 编码的底层实现是跳表。
下面是跳表的结构图 (图片来自 《Redis 设计与实现》图片集 )
- 图中最左部分就是
zskiplist结构，其代码实现如下(server.h)：
typedef struct zskiplist {
// 头指针和尾指针，指向头尾节点
struct zskiplistNode *header, *tail;
// 跳表的节点数(不包含头结点，空跳表也会包含头结点)
unsigned long length;
// 所有节点中，最大的层数
int level;
} zskiplist;
- 图中右边的四个节点，就是跳表节点
zskiplistNode，其代码实现如下(server.h)：
typedef struct zskiplistNode {
// 成员
sds ele;
// 分数
double score;
// 后退指针，指向前一个节点
struct zskiplistNode *backward;
// 层，每个节点可能有很多层，每个层可能指向不同的节点
struct zskiplistLevel {
// 前进指针，指向下一个节点
struct zskiplistNode *forward;
// 跟下一个节点之间的跨度
unsigned long span;
} level[];
} zskiplistNode;
跳表最重要的一个地方就是层 level，为什么这么说呢？
假设zset 用链表有序存储，如果我们要查找数据，只能从头到尾遍历，时间复杂度是 \(O(n)\)，效率很低。
有什么办法提高效率呢？我们可以在上面添加一层索引。
可以看出，我们遍历的性能变高了。例如我们想找到 6，先遍历第一层，5 到 7 之间，再往下探，就能找到 6 了！
有读者就发现了，如果数据量很大，那找起来也很慢。
是的，那么怎么解决呢？再往上加索引呗！
这不，链表就变成了跳表了！而上面说的层，就是这些索引啦！最终跳表的查找时间复杂度是 \(O(logn)\)
我们来看看 zrank 命令的核心实现，来感受一下跳表的遍历吧
zskiplistNode* zslGetElementByRank(zskiplist *zsl, unsigned long rank) {
zskiplistNode *x;
unsigned long traversed = 0;
int i;
// 层头结点开始
x = zsl->header;
// 层从高到低
for (i = zsl->level-1; i >= 0; i--) {
// 只要遍历的数没有达到 rank，就一直遍历
while (x->level[i].forward && (traversed + x->level[i].span) <= rank)
{
// 每次加上层的跨度 span
traversed += x->level[i].span;
// 往前走
x = x->level[i].forward;
}
// 如果这一层走完还没到 rank，那就往下层走，如果还是找不到就继续走，直到走到最底层
if (traversed == rank) {
return x;
}
}
return NULL;
}
zset 的结构
skiplist 编码的 zset 的结构定义如下：
typedef struct zset {
dict *dict;
zskiplist *zsl;
} zset;
结构中包含了一个字典和一个跳表，为什么用了跳表还需要字典呢？
命令zscore这种单找一个值的，如果只用跳表的话，那么查找的时间复杂度是 \(O(logn)\)，加上一个字典可以把时间复杂度缩减为 \(O(n)\)。
那么肯定有同学就会说，加一个字典会浪费了很多空间。
的确，多加一个字典肯定会多占用一定的空间，空间换时间是一种常见的做法。不过字典的值指向的对象跟跳表的对象是共用的。
下图是一个 zset 的示例，为了方便，把他们指向的字符串对象都分别画出来了，实际上是共享的。(图片来自 《Redis 设计与实现》图片集 )
源码分析
我们来看看 skiplist 编码下的 zscore 如何实现吧。
int zsetScore(robj *zobj, sds member, double *score) {
// 前面其他 ziplist 编码的就省略了...
// if ...
else if (zobj->encoding == OBJ_ENCODING_SKIPLIST) {
zset *zs = zobj->ptr;
// 直接通过 dict 查找，时间复杂度复杂度 O(1)
dictEntry *de = dictFind(zs->dict, member);
if (de == NULL) return C_ERR;
*score = *(double*)dictGetVal(de);
}
// ...
return C_OK;
}
编码转换
当有序集合对象可以同时满足以下两个条件时，对象使用 ziplist 编码：
- 有序集合保存的元素数量小于128个(可通过
zset-max-ziplist-entries修改配置)； - 有序集合保存的所有元素成员的长度都小于64字节(可通过
zset-max-ziplist-value修改配置)；
不能满足以上两个条件的有序集合对象将使用 skiplist 编码。
