Redis字符串键的底层原理
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导入
redis的命令如下:
set x "hello";
get x;
hello
Redis作为一种存储字符串的缓存结构,其具体实现是由C语言完成,在C语言中,字符串是通过字符数组实现的,即char[],那么Redis对于字符串的实现是不是也是基于字符数组吗?不是的,Redis对字符串的处理是通过SDS(Simple Dynamic String)实现的。
SDS介绍
SDS(Simple Dynamic String)简单动态字符串,它是由C语言完成,如下是其具体实现
Redis作为一种存储字符串的缓存结构,其具体实现是由C语言完成,在C语言中,字符串是通过字符数组实现的,即char[],那么Redis对于字符串的实现是不是也是基于字符数组吗?不是的,Redis对字符串的处理是通过SDS(Simple Dynamic String)实现的。
struct sdshdr{ //记录buf数组已使用字节的数量 //等于SDS所保存字符串的长度 int length; //记录buf数组未使用字节的数量 int free; //buf数组 char[] buf; }; 看看redis的示例: sdshdr free 0 length 5 buf -->|'R'|'e'|'d'|'i'|'s'|'\0'| 解释: - free为0,表示这个SDS没有分配任何未使用的空间 - length为5,表示这个SDS保存了一个长度为5的字符串 - buf数组中保存着“Redis”字符串
SDS遵循C字符串以空字符串结尾的惯例,保存空字符串的1字节空间不计算在SDS的len属性之中。
再看看SDS的free不为0的情况:
sdshdr free 3 length 5 buf -->|'R'|'e'|'d'|'i'|'s'| | | |
free的值为3,表示这个SDS分配了三个空闲的空间
SDS与字符串的区别
C语言使用简单的字符串表示方式,并不能满足Redis对字符串在安全性,效率,以及功能方面的要求,SDS更使用Redis。
@1 常数复杂度获取字符串长度
C字符串:
因为C语言并不记录自身的长度信息,所以获取一个C字符串的长度,程序必须遍历整个字符串,对遇到的,每个字符进行计数,直到遇到代表字符串结尾的空字符串为止,这个操作的复杂度为O(n)。
SDS:
与C语言不同的是,SDS结构中的属性length记录了SDS本身的长度,所以获取一个SDS长度的复杂度为O(1)。有人疑问那么SDS的length值是哪来的?这里的length值是SDS API在设置和更新SDS时自动完成的。
总结1
:通过使用SDS而不是C字符串,Redis获取字符串长度的复杂度由O(N)降为O(1),这确保了字符串长度的获取的工作不会成为Redis的性能瓶颈。
@ 2杜绝缓冲区溢出
C字符串:
由于C自身不记录字符串的长度带来一个问题是容易造成缓冲区溢出(buffer overflow)。在<string.h>/strcat
函数中,可以将一个字符串拼接到另外一个字符串的末尾。
`char *strcat(char *dest,const char *src)`
理想状态下,用户在使用这个函数时,假定C为dest分配了足够多的内存,可以容纳src字符串中的所有内容,而一旦这个假定不成立,就会产生缓冲区溢出。举个例子,假定内存中有相邻的两个字符串s1,s2,如图:
s1 s2 | | ...|'R'|'e'|'d'|'i'|'s'|'\0'||'g'|'o'|'o'|'d'|'\0'|...
如果执行strcat(s1," cluster");
将Redis改为”Redis cluster“,但是粗心的却忘了在执行这句之前为s1分配足够的空间,那么在执行之后,s1的数据将会溢出到s2所在的空间,导致s2保存的内容意外的被修改。
SDS:
与C语言不同的是,SDS空间分配政策完全杜绝了发生缓冲区溢出的可能性:当SDS API需要对字符串进行修改时,首先会检查SDS的空间是否满足修改所需的要求,因为SDS自身有对字符串长度记录的属性length和空闲空间属性free,可以借助这两个参数进行检查。SDS会在执行动作之前判断SDS的空间大小,再去执行操作,如果空间不够的话,SDS API会自动扩展空间。
@ 3减少修改字符串时带来的内存重分配次数
C字符串:
因为C字符串不记录自身长度,每次增长或者缩短字符串长度时,程序都要对这个C字符串数组进行一次内存重新分配操作,不然容易造成内存益出。因为内存,分配设计复杂的算法,并且可能需要执行系统调用,所以它通常是一个比较耗时和耗能的操作。但是Redis作为缓存,追求速度,所以不能经常发生内存分配操作。
SDS:
SDS数组中的未使用空间字节数量由SDS的属性free记录,通过free记录,SDS实现了空间预分配和惰性释放两种优化策略。1. 空间预分配
空间预分配用于优化SDS的字符串增长操作:当SDS的API对一个SDS进行修改,并且需要对SDS的空间进行扩展时,程序不仅会为SDS分配修改所需要的空间,而且还会为SDS分配额外的空间。额外的空间分配规则如下:
(1)如果修改SDS之后,SDS的长度小于1MB,那么程序会给SDS分配和length一样大的额外空间,这是SDSlength和free的值相等。举个例子,如果修改后的字符串长度为13k,那么SDS的空间将会占据13+13+1=27k(额外的一个字节用于保存空字符串)。
(2)如果修改SDS之后,SDS的长度大于1MB,那么程序会给SDS分配额外的1MB空间,举个例子,比如修改后的SDS有30MB的大小,那么程序会分配1MB的未使用空间,SDS的buf数组实际大小将是30MB+1MB+1byte。
2.惰性释放
惰性释放用于优化SDS的字符串缩短操作:当SDS的API要缩短SDS保存的字符串时,程序并不需要立即使用内存重分配策略来回收缩短后多出来的字节,而是使用free属性将这些字节记录起来,并等待使用。
@4 二进制安全
C字符串中的字符必须符合某种编码(比如ASCII),并且除了字符串末尾之外,字符串里面不能包含空字符串,否则最先被程序读入的空字符串将被误认为是字符串结尾。
SDS API都是二进制安全的,所有SDS API都会以处理二进制的方式来处理存放在SDS buf中的数据,数据写什么样,它被读取时就是什么样子。
@5 兼容部分C字符串函数
SDS的API总会以SDS保存的数据的末尾设置为空字符串,并且在分配SDS空间时会多分配一个字节的空间来容纳空字符串,这是为了那些保存的数据可以重用一部分<string.h>
库中的函数。
总结
字符串和SDS之间的区别总结如下:
原文链接:Redis字符串键的底层原理