「Redis」字符串
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简介
Redis 中自定义的字符串结构。
字符串是 Redis 中最常用的一种数据类型,在 Redis 中专门封装了一个字符串结构体——简单动态字符串(Simple Dynamic String, SDS)。其结构体如下:
struct sdshdr {
// 记录 buf 数组中已使用字节的数量既 SDS 中所保存字符串的长度
int len;
// 记录 buf 数组中未使用字节的数量
int free;
// 字节数组,用于保存字符串。
char buf[];
}
当 len
的值为 8 时,表示在 buf
数组中保存了一个 8 字节长的字符串;当 free
的值为 2 时,表示在 buf
数组中还有两个字节的空间未使用。如果为 0 ,则表示当前 buf
数组的空间已经全部分配完毕;buf
则是一个 char
类型的数组。SDS 遵循了C字符串以空字符结尾的惯例,即存储在 buf
中的字符串末尾都会紧跟一个空字符 \0
,这个空字符对于用户来说是透明的,它并不会被计入 len
中。
优点
为什么要在 Redis 中要自定义字符串的数据结构?
1 时间复杂度
首先,由上面代码我们可以知道通过 SDS 获取字符串的长度的时间复杂度为 O(1)。而如果使用 C 字符串每次获取字符串长度时的时间复杂度则为 O(N)。即当我们使用 STRLEN
命令获取某个键值的长度时不用担心性能问题。
2 缓冲区溢出
其次,可以避免缓冲区溢出问题。例如,两个C字符串在内存中紧挨着,如果没有提前给前一个字符串分配足够空间的情况下就使用 strcat
函数在其末尾追加新的字符串。那么新拼接的字符串就会溢出到后一个字符串的空间中,从而导致后一个字符串的内容发生改变。但是在 SDS 中,对内容进行修改之前会先检查其内存空间是否满足要求,如果不满足要求,则会自动将空间扩展至所需要的大小。扩展空间大小的操作对于用户来说也是透明的。
另外,为了避免可能由于频繁的修改字符串内容,而导致产生较为耗时的内存重分配问题。SDS 通过以空间换时间的方式即未使用空间来尽量避免这种问题。在 SDS中实现了空间预分配和惰性空间释放两种优化策略。
优化策略
空间预分配
当 SDS 中的字符串变长时,程序先判断当前闲置空间是否满足需求。如果不满足,则按照空间预分配的策略对空间进行扩展。Redis 不仅仅只分配所需要的空间大小,则是根据规则多分配一些空间。当 SDS 修改后的新值长度小于 1MB(len
的长度)。那么程序将会分配和 len
同样大小的闲置空间,即 len = free
。buf
数组的实际长度则是 len + free + 1
字节。如果修改后的新值大于等于 1MB,程序则会分配 1MB 的未使用空间。
如此一来,就不需要每次增加字符串长度时必须对内存重新分配,从而提高了系统性能。
惰性空间释放
当 SDS 中的字符串变短时,程序并不是直接进行内存重分配回收多余的空间,而是使用 free
记录下来。如果将来再变长时,可以直接使用。
通过惰性空间释放,避免了缩短字符串时产生的内存重分配操作。
3 二进制安全
由于C字符串的特殊性,在一些场景中会出现问题。如,一个字符串中存在多个空字符,那么C字符串只能识别出第一个空字符之前的内容。且C字符串只能保存文本数据。
而 SDS 的 API 都是二进制安全的,所有的 API 都会以处理二进制的方式来处理 SDS 存放在 buf
数组中的数据,以保证数据写入前与读取后的一致性。
4 兼容部分C字符串函数
避免了重复造轮子的问题。
SDS API
函数 | 作用 | 备注 |
---|---|---|
sdsnew | 创建一个包含给定 C 字符串的 SDS | |
sdsempty | 创建一个不包含任何内容的空 SDS | |
sdsfree | 释放给定的 SDS | |
sdslen | 返回 SDS 已使用的空间字节数 | |
sdsavail | 返回SDS 未使用的空间字节数 | |
sdsdump | 创建一个给定 SDS 的副本 | |
sdsclear | 清空 SDS 保存的字符串内容 | |
sdscat | 将给定的C字符串拼接到 SDS字符串末尾 | |
sdscatsds | 将给定的SDS字符串拼接到另一个SDS字符串的末尾 | |
sdscpy | 将给定的C字符串复制到 SDS中,并覆盖SDS中原有的字符串 | |
sdsgrowzero | 用空字符将SDS扩展至给定长度 | |
sdsrange | 保留SDS给定区间内的数据 | |
sdstrim | 接受一个 SDS 和一个 C字符串作为参数,从 SDS 中移除所有在C字符串中出现过的字符 | |
sdscmp | 对比两个 SDS 是否相同 |