高性能的Redis之：对象底层实现原理详解

对象

在前面的数个章节里，我们陆续介绍了 Redis 用到的所有主要数据结构，比如简单动态字符串（SDS）、双端链表、字典、压缩列表、整数集合，等等。

Redis 并没有直接使用这些数据结构来实现键值对数据库，而是基于这些数据结构创建了一个对象系统，这个系统包含字符串对象、列表对象、哈希对象、集合对象和有序集合对象这五种类型的对象，每种对象都用到了至少一种我们前面所介绍的数据结构。
通过这五种不同类型的对象，（1）Redis 可以在执行命令之前，根据对象的类型来判断一个对象是否可以执行给定的命令。（2）可以针对不同的使用场景，为对象设置多种不同的数据结构实现，从而优化对象在不同场景下的使用效率。
Redis 的对象系统还实现了基于引用计数技术的内存回收机制：当程序不再使用某个对象的时候，这个对象所占用的内存就会被自动释放；另外， Redis 还通过引用计数技术实现了对象共享机制，这一机制可以在适当的条件下，通过让多个数据库键共享同一个对象来节约内存。
最后， Redis 的对象带有访问时间记录信息，该信息可以用于计算数据库键的空转时长，在服务器启用了 maxmemory 功能的情况下，空转时长较大的那些键可能会优先被服务器删除。

导读

Redis 数据库中的每个键值对的键和值都是一个对象。
Redis 共有字符串、列表、哈希、集合、有序集合五种类型的对象，每种类型的对象至少都有两种或以上的编码方式，不同的编码可以在不同的使用场景上优化对象的使用效率。
服务器在执行某些命令之前，会先检查给定键的类型能否执行指定的命令，而检查一个键的类型就是检查键的值对象的类型。
Redis 的对象系统带有引用计数实现的内存回收机制，当一个对象不再被使用时，该对象所占用的内存就会被自动释放。
Redis 会共享值为 0 到 9999 的字符串对象。
对象会记录自己的最后一次被访问的时间，这个时间可以用于计算对象的空转时间。

对象的类型与编码

Redis 使用对象来表示数据库中的键和值，每次当我们在 Redis 的数据库中新创建一个键值对时，我们至少会创建两个对象，一个对象用作键值对的键（键对象），另一个对象用作键值对的值（值对象）。
Redis 中的每个对象都由一个 redisObject 结构表示，该结构中和保存数据有关的三个属性分别是 type 属性、 encoding 属性和 ptr 属性：

 1 typedef struct redisObject {
 2 
 3     // 类型
 4     unsigned type:4;
 5 
 6     // 编码
 7     unsigned encoding:4;
 8 
 9     // 指向底层实现数据结构的指针
10     void *ptr;
11 
12     // ...
13 
14 } robj;

举个例子，以下 SET 命令在数据库中创建了一个新的键值对，其中键值对的键是一个包含了字符串值 "msg" 的对象，而键值对的值则是一个包含了字符串值 "hello world" 的对象：

1 redis> SET msg "hello world"
2 OK

类型

对象的 type 属性记录了对象的类型，这个属性的值可以是以下常量的其中一个。

表 8-1 对象的类型

类型常量	对象的名称
REDIS_STRING	字符串对象
REDIS_LIST	列表对象
REDIS_HASH	哈希对象
REDIS_SET	集合对象
REDIS_ZSET	有序集合对象

对于 Redis 数据库保存的键值对来说，键总是一个字符串对象，而值则可以是字符串对象、列表对象、哈希对象、集合对象或者有序集合对象的其中一种，因此：
当我们称呼一个数据库键为“字符串键”时，我们指的是“这个数据库键所对应的值为字符串对象”；
当我们称呼一个键为“列表键”时，我们指的是“这个数据库键所对应的值为列表对象”，诸如此类。
TYPE 命令的实现方式也与此类似，当我们对一个数据库键执行 TYPE 命令时，命令返回的结果为数据库键对应的值对象的类型，而不是键对象的类型：

1 # 键为字符串对象，值为列表对象
2 redis> RPUSH numbers 1 3 5
3 (integer) 6
4 
5 redis> TYPE numbers
6 list

表 8-2 列出了 TYPE 命令在面对不同类型的值对象时所产生的输出。

对象	对象 type 属性的值	TYPE 命令的输出
字符串对象	REDIS_STRING	"string"
列表对象	REDIS_LIST	"list"
哈希对象	REDIS_HASH	"hash"
集合对象	REDIS_SET	"set"
有序集合对象	REDIS_ZSET	"zset"

编码和底层实现

对象的 ptr 指针指向对象的底层实现数据结构，而这些数据结构由对象的 encoding 属性决定。

encoding 属性记录了对象所使用的编码，也即是说这个对象使用了什么数据结构作为对象的底层实现，这个属性的值可以是表 8-3 列出的常量的其中一个。

编码常量	编码所对应的底层数据结构	OBJECT ENCODING 命令输出
REDIS_ENCODING_INT	long 类型的整数	"int"
REDIS_ENCODING_EMBSTR	embstr 编码的简单动态字符串	"embstr"
REDIS_ENCODING_RAW	简单动态字符串	"raw"
REDIS_ENCODING_HT	字典	"hashtable"
REDIS_ENCODING_LINKEDLIST	双端链表	"linkedlist"
REDIS_ENCODING_ZIPLIST	压缩列表	"ziplist"
REDIS_ENCODING_INTSET	整数集合	"intset"
REDIS_ENCODING_SKIPLIST	跳跃表和字典	"skiplist"

其中，每种type类型的对象都至少使用了两种不同的编码，表 8-4 不同类型和编码的对象

类型常量	编码	对象
REDIS_STRING	REDIS_ENCODING_INT	使用整数值实现的字符串对象。
	REDIS_ENCODING_EMBSTR	使用 embstr 编码的简单动态字符串实现的字符串对象。
	REDIS_ENCODING_RAW	使用简单动态字符串实现的字符串对象。
REDIS_LIST	REDIS_ENCODING_ZIPLIST	使用压缩列表实现的列表对象。
REDIS_LIST	REDIS_ENCODING_LINKEDLIST	使用双端链表实现的列表对象。
REDIS_HASH	REDIS_ENCODING_ZIPLIST	使用压缩列表实现的哈希对象。
REDIS_HASH	REDIS_ENCODING_HT	使用字典实现的哈希对象。
REDIS_SET	REDIS_ENCODING_INTSET	使用整数集合实现的集合对象。
REDIS_SET	REDIS_ENCODING_HT	使用字典实现的集合对象。
REDIS_ZSET	REDIS_ENCODING_ZIPLIST	使用压缩列表实现的有序集合对象。
REDIS_ZSET	REDIS_ENCODING_SKIPLIST	使用跳跃表和字典实现的有序集合对象。

如下图：

使用 OBJECT ENCODING 命令可以查看一个数据库键的值对象的编码：

 1 redis> SET msg "hello wrold"
 2 OK
 3 
 4 redis> OBJECT ENCODING msg
 5 "embstr"
 6 
 7 redis> SET story "long long long long long long ago ..."
 8 OK
 9 
10 redis> OBJECT ENCODING story
11 "raw"
12 
13 redis> SADD numbers 1 3 5
14 (integer) 3
15 
16 redis> OBJECT ENCODING numbers
17 "intset"
18 
19 redis> SADD numbers "seven"
20 (integer) 1
21 
22 redis> OBJECT ENCODING numbers
23 "hashtable"

通过 encoding 属性来设定对象所使用的编码，而不是为特定类型的对象关联一种固定的编码，极大地提升了 Redis 的灵活性和效率，因为 Redis 可以根据不同的使用场景来为一个对象设置不同的编码，从而优化对象在某一场景下的效率。

举个例子，在列表对象包含的元素比较少时， Redis 使用压缩列表作为列表对象的底层实现：

因为压缩列表比双端链表更节约内存，并且在元素数量较少时，在内存中以连续块方式保存的压缩列表比起双端链表可以更快被载入到缓存中；
随着列表对象包含的元素越来越多，使用压缩列表来保存元素的优势逐渐消失时，对象就会将底层实现从压缩列表转向功能更强、也更适合保存大量元素的双端链表上面；

其他类型的对象也会通过使用多种不同的编码来进行类似的优化。

在接下来的内容中，我们将分别介绍 Redis 中的五种不同类型的对象，说明这些对象底层所使用的编码方式，列出对象从一种编码转换成另一种编码所需的条件，以及同一个命令在多种不同编码上的实现方法。

字符串对象

字符串对象的编码可以是 int 、 raw 或者 embstr 。
如果一个字符串对象保存的是整数值，并且这个整数值可以用 long 类型来表示，那么字符串对象会将整数值保存在字符串对象结构的 ptr 属性里面（将 void* 转换成 long ），并将字符串对象的编码设置为 int 。

举个例子，如果我们执行以下 SET 命令，那么服务器将创建一个如图 8-1 所示的 int 编码的字符串对象作为 number 键的值：

1 redis> SET number 10086
2 OK
3 
4 redis> OBJECT ENCODING number
5 "int"

如果字符串对象保存的是一个字符串值，并且这个字符串值的长度大于 39 字节，那么字符串对象将使用一个简单动态字符串（SDS）来保存这个字符串值，并将对象的编码设置为 raw 。

举个例子，如果我们执行以下命令，那么服务器将创建一个如图 8-2 所示的 raw 编码的字符串对象作为 story 键的值：

1 redis> SET story "Long, long, long ago there lived a king ..."
2 OK
3 
4 redis> STRLEN story
5 (integer) 43
6 
7 redis> OBJECT ENCODING story
8 "raw"

如果字符串对象保存的是一个字符串值，并且这个字符串值的长度小于等于 39 字节，那么字符串对象将使用 embstr 编码的方式来保存这个字符串值。

embstr 编码是专门用于保存短字符串的一种优化编码方式，这种编码和 raw 编码一样，都使用 redisObject 结构和 sdshdr 结构来表示字符串对象，但 raw 编码会调用两次内存分配函数来分别创建 redisObject 结构和 sdshdr 结构，而 embstr 编码则通过调用一次内存分配函数来分配一块连续的空间，空间中依次包含 redisObject 和 sdshdr 两个结构，如图 8-3 所示。

embstr 编码的字符串对象在执行命令时，产生的效果和 raw 编码的字符串对象执行命令时产生的效果是相同的，但使用 embstr 编码的字符串对象来保存短字符串值有以下好处：

embstr 编码将创建字符串对象所需的内存分配次数从 raw 编码的两次降低为一次。
释放 embstr 编码的字符串对象只需要调用一次内存释放函数，而释放 raw 编码的字符串对象需要调用两次内存释放函数。
因为 embstr 编码的字符串对象的所有数据都保存在一块连续的内存里面，所以这种编码的字符串对象比起 raw 编码的字符串对象能够更好地利用缓存带来的优势。

作为例子，以下命令创建了一个 embstr 编码的字符串对象作为 msg 键的值，值对象的样子如图 8-4 所示：

1 redis> SET msg "hello"
2 OK
3 
4 redis> OBJECT ENCODING msg
5 "embstr"

最后要说的是，可以用 long double 类型表示的浮点数在 Redis 中也是作为字符串值来保存的：如果我们要保存一个浮点数到字符串对象里面，那么程序会先将这个浮点数转换成字符串值，然后再保存起转换所得的字符串值。在有需要的时候，程序会将保存在字符串对象里面的字符串值转换回浮点数值，执行某些操作，然后再将执行操作所得的浮点数值转换回字符串值，并继续保存在字符串对象里面。

表 8-6 字符串对象保存各类型值的编码方式

值	编码
可以用 long 类型保存的整数。	int
可以用 long double 类型保存的浮点数。	embstr 或者 raw
字符串值，或者因为长度太大而没办法用 long 类型表示的整数，又或者因为长度太大而没办法用 long double 类型表示的浮点数。	embstr 或者 raw

编码的转换

int 编码的字符串对象和 embstr 编码的字符串对象在条件满足的情况下，会被转换为 raw 编码的字符串对象。
对于 int 编码的字符串对象来说，如果我们向对象执行了一些命令，使得这个对象保存的不再是整数值，而是一个字符串值，那么字符串对象的编码将从 int 变为 raw 。比如APPEND 命令
另外，因为 Redis 没有为 embstr 编码的字符串对象编写任何相应的修改程序（只有 int 编码的字符串对象和 raw 编码的字符串对象有这些程序），所以 embstr 编码的字符串对象实际上是只读的：当我们对 embstr 编码的字符串对象执行任何修改命令时，程序会先将对象的编码从 embstr 转换成 raw ，然后再执行修改命令；因为这个原因， embstr 编码的字符串对象在执行修改命令之后，总会变成一个 raw 编码的字符串对象。

字符串命令的实现

因为字符串键的值为字符串对象，所以用于字符串键的所有命令都是针对字符串对象来构建的，表 8-7 列举了其中一部分字符串命令，以及这些命令在不同编码的字符串对象下的实现方法。

命令	int 编码的实现方法	embstr 编码的实现方法	raw 编码的实现方法
SET	使用 int 编码保存值。	使用 embstr 编码保存值。	使用 raw 编码保存值。
GET	拷贝对象所保存的整数值，将这个拷贝转换成字符串值，然后向客户端返回这个字符串值。	直接向客户端返回字符串值。	直接向客户端返回字符串值。
APPEND	将对象转换成 raw 编码，然后按 raw 编码的方式执行此操作。	将对象转换成 raw 编码，然后按 raw 编码的方式执行此操作。	调用 sdscatlen 函数，将给定字符串追加到现有字符串的末尾。
INCRBYFLOAT	取出整数值并将其转换成 long double 类型的浮点数，对这个浮点数进行加法计算，然后将得出的浮点数结果保存起来。	取出字符串值并尝试将其转换成 long double 类型的浮点数，对这个浮点数进行加法计算，然后将得出的浮点数结果保存起来。如果字符串值不能被转换成浮点数，那么向客户端返回一个错误。	取出字符串值并尝试将其转换成 long double 类型的浮点数，对这个浮点数进行加法计算，然后将得出的浮点数结果保存起来。如果字符串值不能被转换成浮点数，那么向客户端返回一个错误。
INCRBY	对整数值进行加法计算，得出的计算结果会作为整数被保存起来。	embstr 编码不能执行此命令，向客户端返回一个错误。	raw 编码不能执行此命令，向客户端返回一个错误。
DECRBY	对整数值进行减法计算，得出的计算结果会作为整数被保存起来。	embstr 编码不能执行此命令，向客户端返回一个错误。	raw 编码不能执行此命令，向客户端返回一个错误。
STRLEN	拷贝对象所保存的整数值，将这个拷贝转换成字符串值，计算并返回这个字符串值的长度。	调用 sdslen 函数，返回字符串的长度。	调用 sdslen 函数，返回字符串的长度。
SETRANGE	将对象转换成 raw 编码，然后按 raw 编码的方式执行此命令。	将对象转换成 raw 编码，然后按 raw 编码的方式执行此命令。	将字符串特定索引上的值设置为给定的字符。
GETRANGE	拷贝对象所保存的整数值，将这个拷贝转换成字符串值，然后取出并返回字符串指定索引上的字符。	直接取出并返回字符串指定索引上的字符。

列表对象

列表对象的编码可以是 ziplist 或者 linkedlist 。
ziplist 编码的列表对象使用压缩列表作为底层实现，每个压缩列表节点（entry）保存了一个列表元素。
另一方面， linkedlist 编码的列表对象使用双端链表作为底层实现，每个双端链表节点（node）都保存了一个字符串对象，而每个字符串对象都保存了一个列表元素。

举个例子，如果我们执行以下 RPUSH 命令，那么服务器将创建一个列表对象作为 numbers 键的值：

1 redis> RPUSH numbers 1 "three" 5
2 (integer) 3

注意， linkedlist 编码的列表对象在底层的双端链表结构中包含了多个字符串对象，这种嵌套字符串对象的行为在稍后介绍的哈希对象、集合对象和有序集合对象中都会出现，字符串对象是 Redis 五种类型的对象中唯一一种会被其他四种类型对象嵌套的对象。

注意

为了简化字符串对象的表示，我们在图 8-6 使用了一个带有 StringObject 字样的格子来表示一个字符串对象，而 StringObject 字样下面的是字符串对象所保存的值。

比如说，图 8-7 代表的就是一个包含了字符串值 "three" 的字符串对象，它是 8-8 的简化表示。

本书接下来的内容将继续沿用这一简化表示。

编码转换

当列表对象可以同时满足以下两个条件时，列表对象使用 ziplist 编码：

列表对象保存的所有字符串元素的长度都小于 64 字节；
列表对象保存的元素数量小于 512 个；

不能满足这两个条件的列表对象需要使用 linkedlist 编码。

对于使用 ziplist 编码的列表对象来说，当使用 ziplist 编码所需的两个条件的任意一个不能被满足时，对象的编码转换操作就会被执行：原本保存在压缩列表里的所有列表元素都会被转移并保存到双端链表里面，对象的编码也会从 ziplist 变为 linkedlist 。

注意

以上两个条件的上限值是可以修改的，具体请看配置文件中关于 list-max-ziplist-value 选项和 list-max-ziplist-entries 选项的说明。

列表命令的实现

因为列表键的值为列表对象，所以用于列表键的所有命令都是针对列表对象来构建的，

表 8-8 列出了其中一部分列表键命令，以及这些命令在不同编码的列表对象下的实现方法。

命令	ziplist 编码的实现方法	linkedlist 编码的实现方法
LPUSH	调用 ziplistPush 函数，将新元素推入到压缩列表的表头。	调用 listAddNodeHead 函数，将新元素推入到双端链表的表头。
RPUSH	调用 ziplistPush 函数，将新元素推入到压缩列表的表尾。	调用 listAddNodeTail 函数，将新元素推入到双端链表的表尾。
LPOP	调用 ziplistIndex 函数定位压缩列表的表头节点，在向用户返回节点所保存的元素之后，调用 ziplistDelete 函数删除表头节点。	调用 listFirst 函数定位双端链表的表头节点，在向用户返回节点所保存的元素之后，调用 listDelNode 函数删除表头节点。
RPOP	调用 ziplistIndex 函数定位压缩列表的表尾节点，在向用户返回节点所保存的元素之后，调用 ziplistDelete 函数删除表尾节点。	调用 listLast 函数定位双端链表的表尾节点，在向用户返回节点所保存的元素之后，调用 listDelNode 函数删除表尾节点。
LINDEX	调用 ziplistIndex 函数定位压缩列表中的指定节点，然后返回节点所保存的元素。	调用 listIndex 函数定位双端链表中的指定节点，然后返回节点所保存的元素。
LLEN	调用 ziplistLen 函数返回压缩列表的长度。	调用 listLength 函数返回双端链表的长度。
LINSERT	插入新节点到压缩列表的表头或者表尾时，使用 ziplistPush 函数；插入新节点到压缩列表的其他位置时，使用 ziplistInsert 函数。	调用 listInsertNode 函数，将新节点插入到双端链表的指定位置。
LREM	遍历压缩列表节点，并调用 ziplistDelete 函数删除包含了给定元素的节点。	遍历双端链表节点，并调用 listDelNode 函数删除包含了给定元素的节点。
LTRIM	调用 ziplistDeleteRange 函数，删除压缩列表中所有不在指定索引范围内的节点。	遍历双端链表节点，并调用 listDelNode 函数删除链表中所有不在指定索引范围内的节点。
LSET	调用 ziplistDelete 函数，先删除压缩列表指定索引上的现有节点，然后调用 ziplistInsert 函数，将一个包含给定元素的新节点插入到相同索引上面。	调用 listIndex 函数，定位到双端链表指定索引上的节点，然后通过赋值操作更新节点的值。

哈希对象

哈希对象的编码可以是 ziplist 或者 hashtable 。
ziplist 编码的哈希对象使用压缩列表作为底层实现，每当有新的键值对要加入到哈希对象时，程序会先将保存了键的压缩列表节点推入到压缩列表表尾，然后再将保存了值的压缩列表节点推入到压缩列表表尾，因此：
- 保存了同一键值对的两个节点总是紧挨在一起，保存键的节点在前，保存值的节点在后；
- 先添加到哈希对象中的键值对会被放在压缩列表的表头方向，而后来添加到哈希对象中的键值对会被放在压缩列表的表尾方向。
另一方面， hashtable 编码的哈希对象使用字典作为底层实现，哈希对象中的每个键值对都使用一个字典键值对来保存：
- 字典的每个键都是一个字符串对象，对象中保存了键值对的键；
- 字典的每个值都是一个字符串对象，对象中保存了键值对的值。

举个例子，如果我们执行以下 HSET 命令，那么服务器将创建一个列表对象作为 profile 键的值：

1 redis> HSET profile name "Tom"
2 (integer) 1
3 
4 redis> HSET profile age 25
5 (integer) 1
6 
7 redis> HSET profile career "Programmer"
8 (integer) 1

编码转换

当哈希对象可以同时满足以下两个条件时，哈希对象使用 ziplist 编码：

哈希对象保存的所有键值对的键和值的字符串长度都小于 64 字节；
哈希对象保存的键值对数量小于 512 个；

不能满足这两个条件的哈希对象需要使用 hashtable 编码。

对于使用 ziplist 编码的列表对象来说，当使用 ziplist 编码所需的两个条件的任意一个不能被满足时，对象的编码转换操作就会被执行：原本保存在压缩列表里的所有键值对都会被转移并保存到字典里面，对象的编码也会从 ziplist 变为 hashtable 。

注意

这两个条件的上限值是可以修改的，具体请看配置文件中关于 hash-max-ziplist-value 选项和 hash-max-ziplist-entries 选项的说明。

哈希命令的实现

因为哈希键的值为哈希对象，所以用于哈希键的所有命令都是针对哈希对象来构建的，表 8-9 列出了其中一部分哈希键命令，以及这些命令在不同编码的哈希对象下的实现方法。

命令	ziplist 编码实现方法	hashtable 编码的实现方法
HSET	首先调用 ziplistPush 函数，将键推入到压缩列表的表尾，然后再次调用 ziplistPush 函数，将值推入到压缩列表的表尾。	调用 dictAdd 函数，将新节点添加到字典里面。
HGET	首先调用 ziplistFind 函数，在压缩列表中查找指定键所对应的节点，然后调用 ziplistNext 函数，将指针移动到键节点旁边的值节点，最后返回值节点。	调用 dictFind 函数，在字典中查找给定键，然后调用 dictGetVal 函数，返回该键所对应的值。
HEXISTS	调用 ziplistFind 函数，在压缩列表中查找指定键所对应的节点，如果找到的话说明键值对存在，没找到的话就说明键值对不存在。	调用 dictFind 函数，在字典中查找给定键，如果找到的话说明键值对存在，没找到的话就说明键值对不存在。
HDEL	调用 ziplistFind 函数，在压缩列表中查找指定键所对应的节点，然后将相应的键节点、以及键节点旁边的值节点都删除掉。	调用 dictDelete 函数，将指定键所对应的键值对从字典中删除掉。
HLEN	调用 ziplistLen 函数，取得压缩列表包含节点的总数量，将这个数量除以 2 ，得出的结果就是压缩列表保存的键值对的数量。	调用 dictSize 函数，返回字典包含的键值对数量，这个数量就是哈希对象包含的键值对数量。
HGETALL	遍历整个压缩列表，用 ziplistGet 函数返回所有键和值（都是节点）。	遍历整个字典，用 dictGetKey 函数返回字典的键，用 dictGetVal 函数返回字典的值。

集合对象

集合对象的编码可以是 intset 或者 hashtable 。
intset 编码的集合对象使用整数集合作为底层实现，集合对象包含的所有元素都被保存在整数集合里面。
另一方面， hashtable 编码的集合对象使用字典作为底层实现，字典的每个键都是一个字符串对象，每个字符串对象包含了一个集合元素，而字典的值则全部被设置为 NULL 。

举个例子，以下代码将创建一个如图 8-12 所示的 intset 编码集合对象：

1 redis> SADD numbers 1 3 5
2 (integer) 3

以下代码将创建一个如图 8-13 所示的 hashtable 编码集合对象：

1 redis> SADD fruits "apple" "banana" "cherry"
2 (integer) 3

编码的转换

当集合对象可以同时满足以下两个条件时，对象使用 intset 编码：

集合对象保存的所有元素都是整数值；
集合对象保存的元素数量不超过 512 个；

不能满足这两个条件的集合对象需要使用 hashtable 编码。

对于使用 intset 编码的集合对象来说，当使用 intset 编码所需的两个条件的任意一个不能被满足时，对象的编码转换操作就会被执行：原本保存在整数集合中的所有元素都会被转移并保存到字典里面，并且对象的编码也会从 intset 变为 hashtable 。

注意

第二个条件的上限值是可以修改的，具体请看配置文件中关于 set-max-intset-entries 选项的说明。

集合命令的实现

因为集合键的值为集合对象，所以用于集合键的所有命令都是针对集合对象来构建的，表 8-10 列出了其中一部分集合键命令，以及这些命令在不同编码的集合对象下的实现方法。

表 8-10 集合命令的实现方法

命令	intset 编码的实现方法	hashtable 编码的实现方法
SADD	调用 intsetAdd 函数，将所有新元素添加到整数集合里面。	调用 dictAdd ，以新元素为键， NULL 为值，将键值对添加到字典里面。
SCARD	调用 intsetLen 函数，返回整数集合所包含的元素数量，这个数量就是集合对象所包含的元素数量。	调用 dictSize 函数，返回字典所包含的键值对数量，这个数量就是集合对象所包含的元素数量。
SISMEMBER	调用 intsetFind 函数，在整数集合中查找给定的元素，如果找到了说明元素存在于集合，没找到则说明元素不存在于集合。	调用 dictFind 函数，在字典的键中查找给定的元素，如果找到了说明元素存在于集合，没找到则说明元素不存在于集合。
SMEMBERS	遍历整个整数集合，使用 intsetGet 函数返回集合元素。	遍历整个字典，使用 dictGetKey 函数返回字典的键作为集合元素。
SRANDMEMBER	调用 intsetRandom 函数，从整数集合中随机返回一个元素。	调用 dictGetRandomKey 函数，从字典中随机返回一个字典键。
SPOP	调用 intsetRandom 函数，从整数集合中随机取出一个元素，在将这个随机元素返回给客户端之后，调用 intsetRemove 函数，将随机元素从整数集合中删除掉。	调用 dictGetRandomKey 函数，从字典中随机取出一个字典键，在将这个随机字典键的值返回给客户端之后，调用 dictDelete 函数，从字典中删除随机字典键所对应的键值对。
SREM	调用 intsetRemove 函数，从整数集合中删除所有给定的元素。	调用 dictDelete 函数，从字典中删除所有键为给定元素的键值对。

有序集合对象

有序集合的编码可以是 ziplist 或者 skiplist 。
ziplist 编码的有序集合对象使用压缩列表作为底层实现，每个集合元素使用两个紧挨在一起的压缩列表节点来保存，第一个节点保存元素的成员（member），而第二个元素则保存元素的分值（score）。
压缩列表内的集合元素按分值从小到大进行排序，分值较小的元素被放置在靠近表头的方向，而分值较大的元素则被放置在靠近表尾的方向。
skiplist 编码的有序集合对象使用 zset 结构作为底层实现，一个 zset 结构同时包含一个字典和一个跳跃表：

1 typedef struct zset {
2     
3     zskiplist *zsl;
4     dict *dict;
5     
6 } zset;

- zset 结构中的 zsl 跳跃表按分值从小到大保存了所有集合元素，每个跳跃表节点都保存了一个集合元素：跳跃表节点的 object 属性保存了元素的成员，而跳跃表节点的 score 属性则保存了元素的分值。通过这个跳跃表，程序可以对有序集合进行范围型操作，比如 ZRANK 、 ZRANGE 等命令就是基于跳跃表 API 来实现的。
- zset 结构中的 dict 字典为有序集合创建了一个从成员到分值的映射，字典中的每个键值对都保存了一个集合元素：字典的键保存了元素的成员，而字典的值则保存了元素的分值。通过这个字典，程序可以用 O(1) 复杂度查找给定成员的分值， ZSCORE 命令就是根据这一特性实现的，而很多其他有序集合命令都在实现的内部用到了这一特性。
- 值得一提的是，虽然 zset 结构同时使用跳跃表和字典来保存有序集合元素，但这两种数据结构都会通过指针来共享相同元素的成员和分值，所以同时使用跳跃表和字典来保存集合元素不会产生任何重复成员或者分值，也不会因此而浪费额外的内存。
有序集合每个元素的成员都是一个字符串对象，而每个元素的分值都是一个 double 类型的浮点数。

举个例子，如果我们执行以下 ZADD 命令，那么服务器将创建一个有序集合对象作为 price 键的值：

1 redis> ZADD price 8.5 apple 5.0 banana 6.0 cherry
2 (integer) 3

如果 price 键的值对象使用的是 ziplist 编码，那么这个值对象将会是图 8-14 所示的样子，而对象所使用的压缩列表则会是 8-15 所示的样子。

如果前面 price 键创建的不是 ziplist 编码的有序集合对象，而是 skiplist 编码的有序集合对象，那么这个有序集合对象将会是图 8-16 所示的样子，而对象所使用的 zset 结构将会是图 8-17 所示的样子。

注意

为了展示方便，图 8-17 在字典和跳跃表中重复展示了各个元素的成员和分值，但在实际中，字典和跳跃表会共享元素的成员和分值，所以并不会造成任何数据重复，也不会因此而浪费任何内存。

为什么有序集合需要同时使用跳跃表和字典来实现？

在理论上来说，有序集合可以单独使用字典或者跳跃表的其中一种数据结构来实现，但无论单独使用字典还是跳跃表，在性能上对比起同时使用字典和跳跃表都会有所降低。
举个例子，如果我们只使用字典来实现有序集合，那么虽然以 O(1) 复杂度查找成员的分值这一特性会被保留，但是，因为字典以无序的方式来保存集合元素，所以每次在执行范围型操作 —— 比如 ZRANK 、 ZRANGE 等命令时，程序都需要对字典保存的所有元素进行排序，完成这种排序需要至少 O(N \log N) 时间复杂度，以及额外的 O(N) 内存空间（因为要创建一个数组来保存排序后的元素）。
另一方面，如果我们只使用跳跃表来实现有序集合，那么跳跃表执行范围型操作的所有优点都会被保留，但因为没有了字典，所以根据成员查找分值这一操作的复杂度将从 O(1) 上升为 O(\log N) 。
因为以上原因，为了让有序集合的查找和范围型操作都尽可能快地执行， Redis 选择了同时使用字典和跳跃表两种数据结构来实现有序集合。

编码的转换

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；
有序集合保存的所有元素成员的长度都小于 64 字节；

不能满足以上两个条件的有序集合对象将使用 skiplist 编码。

对于使用 ziplist 编码的有序集合对象来说，当使用 ziplist 编码所需的两个条件中的任意一个不能被满足时，程序就会执行编码转换操作，将原本储存在压缩列表里面的所有集合元素转移到 zset 结构里面，并将对象的编码从 ziplist 改为 skiplist 。

注意

以上两个条件的上限值是可以修改的，具体请看配置文件中关于 zset-max-ziplist-entries 选项和 zset-max-ziplist-value 选项的说明。

有序集合命令的实现

因为有序集合键的值为有序集合对象，所以用于有序集合键的所有命令都是针对有序集合对象来构建的，表 8-11 列出了其中一部分有序集合键命令，以及这些命令在不同编码的有序集合对象下的实现方法。

命令	ziplist 编码的实现方法	zset 编码的实现方法
ZADD	调用 ziplistInsert 函数，将成员和分值作为两个节点分别插入到压缩列表。	先调用 zslInsert 函数，将新元素添加到跳跃表，然后调用 dictAdd 函数，将新元素关联到字典。
ZCARD	调用 ziplistLen 函数，获得压缩列表包含节点的数量，将这个数量除以 2 得出集合元素的数量。	访问跳跃表数据结构的 length 属性，直接返回集合元素的数量。
ZCOUNT	遍历压缩列表，统计分值在给定范围内的节点的数量。	遍历跳跃表，统计分值在给定范围内的节点的数量。
ZRANGE	从表头向表尾遍历压缩列表，返回给定索引范围内的所有元素。	从表头向表尾遍历跳跃表，返回给定索引范围内的所有元素。
ZREVRANGE	从表尾向表头遍历压缩列表，返回给定索引范围内的所有元素。	从表尾向表头遍历跳跃表，返回给定索引范围内的所有元素。
ZRANK	从表头向表尾遍历压缩列表，查找给定的成员，沿途记录经过节点的数量，当找到给定成员之后，途经节点的数量就是该成员所对应元素的排名。	从表头向表尾遍历跳跃表，查找给定的成员，沿途记录经过节点的数量，当找到给定成员之后，途经节点的数量就是该成员所对应元素的排名。
ZREVRANK	从表尾向表头遍历压缩列表，查找给定的成员，沿途记录经过节点的数量，当找到给定成员之后，途经节点的数量就是该成员所对应元素的排名。	从表尾向表头遍历跳跃表，查找给定的成员，沿途记录经过节点的数量，当找到给定成员之后，途经节点的数量就是该成员所对应元素的排名。
ZREM	遍历压缩列表，删除所有包含给定成员的节点，以及被删除成员节点旁边的分值节点。	遍历跳跃表，删除所有包含了给定成员的跳跃表节点。并在字典中解除被删除元素的成员和分值的关联。
ZSCORE	遍历压缩列表，查找包含了给定成员的节点，然后取出成员节点旁边的分值节点保存的元素分值。	直接从字典中取出给定成员的分值。

类型检查与命令多态

Redis 中用于操作键的命令基本上可以分为两种类型。
其中一种命令可以对任何类型的键执行，比如说 DEL 命令、 EXPIRE 命令、 RENAME 命令、 TYPE 命令、 OBJECT 命令，等等。
而另一种命令只能对特定类型的键执行，比如说：
- SET 、 GET 、 APPEND 、 STRLEN 等命令只能对字符串键执行；
- HDEL 、 HSET 、 HGET 、 HLEN 等命令只能对哈希键执行；
- RPUSH 、 LPOP 、 LINSERT 、 LLEN 等命令只能对列表键执行；
- SADD 、 SPOP 、 SINTER 、 SCARD 等命令只能对集合键执行；
- ZADD 、 ZCARD 、 ZRANK 、 ZSCORE 等命令只能对有序集合键执行；

例子1，以下代码就展示了使用 DEL 命令来删除三种不同类型的键：

 1 # 字符串键
 2 redis> SET msg "hello"
 3 OK
 4 
 5 # 列表键
 6 redis> RPUSH numbers 1 2 3
 7 (integer) 3
 8 
 9 # 集合键
10 redis> SADD fruits apple banana cherry
11 (integer) 3
12 
13 redis> DEL msg
14 (integer) 1
15 
16 redis> DEL numbers
17 (integer) 1
18 
19 redis> DEL fruits
20 (integer) 1

例子2，我们可以用 SET 命令创建一个字符串键，然后用 GET 命令和 APPEND 命令操作这个键，但如果我们试图对这个字符串键执行只有列表键才能执行的 LLEN 命令，那么 Redis 将向我们返回一个类型错误：

 1 redis> SET msg "hello world"
 2 OK
 3 
 4 redis> GET msg
 5 "hello world"
 6 
 7 redis> APPEND msg " again!"
 8 (integer) 18
 9 
10 redis> GET msg
11 "hello world again!"
12 
13 redis> LLEN msg
14 (error) WRONGTYPE Operation against a key holding the wrong kind of value

类型检查的实现

从上面发生类型错误的代码示例可以看出，为了确保只有指定类型的键可以执行某些特定的命令，在执行一个类型特定的命令之前， Redis 会先检查输入键的类型是否正确，然后再决定是否执行给定的命令。

类型特定命令所进行的类型检查是通过 redisObject 结构的 type 属性来实现的：

在执行一个类型特定命令之前，服务器会先检查输入数据库键的值对象是否为执行命令所需的类型，如果是的话，服务器就对键执行指定的命令；
否则，服务器将拒绝执行命令，并向客户端返回一个类型错误。

举个例子，对于 LLEN 命令来说：

在执行 LLEN 命令之前，服务器会先检查输入数据库键的值对象是否为列表类型，也即是，检查值对象 redisObject 结构 type 属性的值是否为 REDIS_LIST ，如果是的话，服务器就对键执行 LLEN 命令；
否则的话，服务器就拒绝执行命令并向客户端返回一个类型错误；

其他类型特定命令的类型检查过程也和这里展示的 LLEN 命令的类型检查过程类似。

多态命令的实现

Redis 除了会根据值对象的类型来判断键是否能够执行指定命令之外，还会根据值对象的编码方式，选择正确的命令实现代码来执行命令。
举个例子，在前面介绍列表对象的编码时我们说过，列表对象有 ziplist 和 linkedlist 两种编码可用，其中前者使用压缩列表 API 来实现列表命令，而后者则使用双端链表 API 来实现列表命令。

现在，考虑这样一个情况，如果我们对一个键执行 LLEN 命令，那么服务器除了要确保执行命令的是列表键之外，还需要根据键的值对象所使用的编码来选择正确的 LLEN 命令实现：

如果列表对象的编码为 ziplist ，那么说明列表对象的实现为压缩列表，程序将使用 ziplistLen 函数来返回列表的长度；
如果列表对象的编码为 linkedlist ，那么说明列表对象的实现为双端链表，程序将使用 listLength 函数来返回双端链表的长度；

借用面向对象方面的术语来说，我们可以认为 LLEN 命令是多态（polymorphism）的：只要执行 LLEN 命令的是列表键，那么无论值对象使用的是 ziplist 编码还是 linkedlist 编码，命令都可以正常执行。

图 8-19 其他类型特定命令的执行过程也是类似的。

实际上，我们可以将 DEL 、 EXPIRE 、 TYPE 等命令也称为多态命令，因为无论输入的键是什么类型，这些命令都可以正确地执行。他们和 LLEN 等命令的区别在于，前者是基于类型的多态 —— 一个命令可以同时用于处理多种不同类型的键，而后者是基于编码的多态 —— 一个命令可以同时用于处理多种不同编码。

内存回收

因为 C 语言并不具备自动的内存回收功能，所以 Redis 在自己的对象系统中构建了一个引用计数（reference counting）技术实现的内存回收机制，通过这一机制，程序可以通过跟踪对象的引用计数信息，在适当的时候自动释放对象并进行内存回收。

每个对象的引用计数信息由 redisObject 结构的 refcount 属性记录：

 1 typedef struct redisObject {
 2 
 3     // ...
 4 
 5     // 引用计数
 6     int refcount;
 7 
 8     // ...
 9 
10 } robj;

对象的引用计数信息会随着对象的使用状态而不断变化：
- 在创建一个新对象时，引用计数的值会被初始化为 1 ；
- 当对象被一个新程序使用时，它的引用计数值会被增一；
- 当对象不再被一个程序使用时，它的引用计数值会被减一；
- 当对象的引用计数值变为 0 时，对象所占用的内存会被释放。
表 8-12 列出了修改对象引用计数的 API ，这些 API 分别用于增加、减少、重置对象的引用计数。

函数	作用
incrRefCount	将对象的引用计数值增一。
decrRefCount	将对象的引用计数值减一，当对象的引用计数值等于 0 时，释放对象。
resetRefCount	将对象的引用计数值设置为 0 ，但并不释放对象，这个函数通常在需要重新设置对象的引用计数值时使用。

对象的整个生命周期可以划分为创建对象、操作对象、释放对象三个阶段。

作为例子，以下代码展示了一个字符串对象从创建到释放的整个过程：

1 // 创建一个字符串对象 s ，对象的引用计数为 1
2 robj *s = createStringObject(...)
3 
4 // 对象 s 执行各种操作 ...
5 
6 // 将对象 s 的引用计数减一，使得对象的引用计数变为 0
7 // 导致对象 s 被释放
8 decrRefCount(s)

其他不同类型的对象也会经历类似的过程。

对象共享

除了用于实现内存回收机制之外，对象的引用计数属性还带有对象共享的作用。
在 Redis 中，让多个键共享同一个值对象需要执行以下两个步骤：

1. 将数据库键的值指针指向一个现有的值对象；
2. 将被共享的值对象的引用计数增一。

举个例子，图 8-21 就展示了包含整数值 100 的字符串对象同时被键 A 和键 B 共享之后的样子，可以看到，除了对象的引用计数从之前的 1 变成了 2 之外，其他属性都没有变化。

共享对象机制对于节约内存非常有帮助，数据库中保存的相同值对象越多，对象共享机制就能节约越多的内存。

比如说，假设数据库中保存了整数值 100 的键不只有键 A 和键 B 两个，而是有一百个，那么服务器只需要用一个字符串对象的内存就可以保存原本需要使用一百个字符串对象的内存才能保存的数据。

目前来说， Redis 会在初始化服务器时，创建一万个字符串对象，这些对象包含了从 0 到 9999 的所有整数值，当服务器需要用到值为 0 到 9999 的字符串对象时，服务器就会使用这些共享对象，而不是新创建对象。

注意

创建共享字符串对象的数量可以通过修改 redis.h/REDIS_SHARED_INTEGERS 常量来修改。

举个例子，如果我们创建一个值为 100 的键 A ，并使用 OBJECT REFCOUNT 命令查看键 A 的值对象的引用计数，我们会发现值对象的引用计数为 2 ：

1 redis> SET A 100
2 OK
3 
4 redis> OBJECT REFCOUNT A
5 (integer) 2

引用这个值对象的两个程序分别是持有这个值对象的服务器程序，以及共享这个值对象的键 A ，如图 8-22 所示。

另外，这些共享对象不单单只有字符串键可以使用，那些在数据结构中嵌套了字符串对象的对象（linkedlist 编码的列表对象、 hashtable 编码的哈希对象、 hashtable 编码的集合对象、以及 zset 编码的有序集合对象）都可以使用这些共享对象。

为什么 Redis 不共享包含字符串的对象？

当服务器考虑将一个共享对象设置为键的值对象时，程序需要先检查给定的共享对象和键想创建的目标对象是否完全相同，只有在共享对象和目标对象完全相同的情况下，程序才会将共享对象用作键的值对象，而一个共享对象保存的值越复杂，验证共享对象和目标对象是否相同所需的复杂度就会越高，消耗的 CPU 时间也会越多：

如果共享对象是保存整数值的字符串对象，那么验证操作的复杂度为 O(1) ；
如果共享对象是保存字符串值的字符串对象，那么验证操作的复杂度为 O(N) ；
如果共享对象是包含了多个值（或者对象的）对象，比如列表对象或者哈希对象，那么验证操作的复杂度将会是 O(N^2) 。

因此，尽管共享更复杂的对象可以节约更多的内存，但受到 CPU 时间的限制， Redis 只对包含整数值的字符串对象进行共享。

对象的空转时长

除了前面介绍过的 type 、 encoding 、 ptr 和 refcount 四个属性之外， redisObject 结构包含的最后一个属性为 lru 属性，该属性记录了对象最后一次被命令程序访问的时间：

typedef struct redisObject {
   // ... 
   unsigned lru:22; 
   // ... 
} robj;

OBJECT IDLETIME 命令可以打印出给定键的空转时长，这一空转时长就是通过将当前时间减去键的值对象的 lru 时间计算得出的.
除了可以被 OBJECT IDLETIME 命令打印出来之外，键的空转时长还有另外一项作用：如果服务器打开了 maxmemory 选项，并且服务器用于回收内存的算法为 volatile-lru 或者 allkeys-lru ，那么当服务器占用的内存数超过了 maxmemory 选项所设置的上限值时，空转时长较高的那部分键会优先被服务器释放，从而回收内存。
- 配置文件的 maxmemory 选项和 maxmemory-policy 选项的说明介绍了关于这方面的更多信息。

 1 redis> SET msg "hello world"
 2 OK
 3 
 4 # 等待一小段时间
 5 redis> OBJECT IDLETIME msg
 6 (integer) 20
 7 
 8 # 等待一阵子
 9 redis> OBJECT IDLETIME msg
10 (integer) 180
11 
12 # 访问 msg 键的值
13 redis> GET msg
14 "hello world"
15 
16 # 键处于活跃状态，空转时长为 0
17 redis> OBJECT IDLETIME msg
18 (integer) 0

Redis五种类型的键的介绍到这里就结束了，欢迎和大家讨论、交流。

posted @ 2021-07-01 18:24 xuxh120 阅读(574) 评论(0) 编辑收藏举报

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高性能的Redis之：对象底层实现原理详解

对象

导读

对象的类型与编码

类型

编码和底层实现

字符串对象

编码的转换

字符串命令的实现

列表对象

编码转换

列表命令的实现

哈希对象

编码转换

哈希命令的实现

集合对象

编码的转换

集合命令的实现

有序集合对象

为什么有序集合需要同时使用跳跃表和字典来实现？

编码的转换

有序集合命令的实现

类型检查与命令多态

类型检查的实现

多态命令的实现

内存回收

对象共享

为什么 Redis 不共享包含字符串的对象？

对象的空转时长

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