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前言
壓縮列表（ziplist）是由一系列特殊編碼的內存塊構成的列表，它對于Redis的數據存儲優化有著非常重要的作用。這篇文章總結一下redis中使用非常多的一個數據結構壓縮鏈表ziplist。該數據結構在redis中說是無處不在也毫不過分，除了鏈表以外，很多其他數據結構也是用它進行過渡的，比如前面文章提到的SortedSet。下面話不多說了，來一起看看詳細的介紹吧。
一、壓縮鏈表ziplist數據結構簡介
首先從整體上看下ziplist的結構，如下圖：
壓縮鏈表ziplist結構圖
可以看出字段很多，字節大小也不同，但這也就是壓縮鏈表的精髓所在了，我們依次總結一下。
| 字段 | 含義 |
|---|---|
| zlbytes | 該字段是壓縮鏈表的第一個字段，是無符號整型，占用4個字節。用于表示整個壓縮鏈表占用的字節數（包括它自己）。 |
| zltail | 無符號整型，占用4個字節。用于存儲從壓縮鏈表頭部到最后一個entry（不是尾元素zlend）的偏移量，在快速跳轉到鏈表尾部的場景使用。 |
| zllen | 無符號整型，占用2個字節。用于存儲壓縮鏈表中包含的entry總數。 |
| zlend | 特殊的entry，用來表示壓縮鏈表的末尾。占用一個字節，值恒為255。 |
總結為ziplist的頭跟尾，下面再總結一下重中之重的entry字段。
一般來說，一個entry由prevlen，encoding，entry-data三個字段組成，但當entry是個很小的整數時，會根據編碼省略掉entry-data字段。下面依次進行總結：
首先是字段prevlen：表示前一個entry的長度，有兩種編碼方式。
然后是字段encoding：它會根據當前元素內容的不同會采用不同的編碼方式，如下：
1、如果元素內容為字符串，encoding的值分別為：
00xx xxxx ：00開頭表示該字符串的長度用6個bit表示。
01xx xxxx | xxxx xxxx ：01開頭表示字符串的長度由14bit表示，這14個bit采用大端存儲。
1000 0000 | xxxx xxxx | xxxx xxxx | xxxx xxxx | xxxx xxxx ：10開頭表示后續的四個字節為字符串長度，這32個bit采用大端存儲。
2、如果元素內容為數字，encoding的值分別為：
1100 0000：表示數字占用后面2個字節。
1101 0000：表示數字占用后面4個字節。
1110 0000：表示數字占用后面8個字節。
1111 0000 ：表示數字占用后面3個字節。
1111 1110 ：表示數字占用后面1個字節。
1111 1111 ：表示壓縮鏈表中最后一個元素（特殊編碼）。
1111 xxxx ：表示只用后4位表示0~12的整數，由于0000，1110跟1111三種已經被占用，也就是說這里的xxxx四位只能表示0001~1101，轉換成十進制就是數字1~13，但是redis規定它用來表示0~12，因此當遇到這個編碼時，我們需要取出后四位然后減1來得到正確的值。
最后是字段entry-data：如果元素的值為字符串，則保存元素本身的值。如果元素的值為很小的數字（按上面編碼規則即0~12），則沒有該字段。
壓縮鏈表的編碼非常復雜，但這也正是該數據結構的精髓所在，一起來看一個例子吧：
注：這個例子是redis源碼中提到的
//由元素2，5組成的壓縮鏈表 [0f 00 00 00] [0c 00 00 00] [02 00] [00 f3] [02 f6] [ff] | | | | | | zlbytes zltail entries "2" "5" end //字符串"Hello World"編碼后的內容 [02] [0b] [48 65 6c 6c 6f 20 57 6f 72 6c 64]
上面是一段用十六進制表示2，5兩個元素組成的壓縮鏈表。
接下來我們在這個壓縮鏈表末尾插入一個字符串元素Hello World，先看看該如何編碼該字符串，按照約定的編碼規則，首先要用字節表示前一個元素的長度，這里前一個元素時5，總共占用了兩個字節，因此首先用一個字節表示前一個元素的長度02，接下來是字符串的編碼，我們要加入的字符串長度為11（空格也算），轉換成二進制就是1011，按照字符串的編碼規則，使用0000 1011表示，轉為十六進制就是0b，最后再加上我們字符串本身的ASCII碼，綜合起來就得出該字符串的編碼：[02] [0b] [48 65 6c 6c 6f 20 57 6f 72 6c 64]。
此時整個壓縮鏈表就變為：
[0f 00 00 00] [0c 00 00 00] [02 00] [00 f3] [02 f6] [02 0b 48 65 6c 6c 6f 20 57 6f 72 6c 64] [ff] | | | | | | | zlbytes zltail entries "2" "5" "Hello World" end
二、壓縮鏈表ziplist命令源碼分析
搞明白上面的編碼規則以后，我們再來看下壓縮鏈表ziplist的部分操作源碼，本文就創建壓縮鏈表，插入元素，刪除元素，查找元素四個操作來總結一下壓縮鏈表的基本原理。
首先是創建：
//定義由zlbytes，zltail跟zllen組成的壓縮鏈表的頭大小
#define ZIPLIST_HEADER_SIZE (sizeof(uint32_t)*2+sizeof(uint16_t))
//創建一個壓縮鏈表，并且返回指向該鏈表的指針
unsigned char *ziplistNew(void) {
//這里之所以+1是因為尾元素占用一個字節，這也是一個壓縮鏈表最小尺寸
unsigned int bytes = ZIPLIST_HEADER_SIZE+1;
//分配內存
unsigned char *zl = zmalloc(bytes);
//設置鏈表大小
ZIPLIST_BYTES(zl) = intrev32ifbe(bytes);
//設置最后一個元素的偏移量
ZIPLIST_TAIL_OFFSET(zl) = intrev32ifbe(ZIPLIST_HEADER_SIZE);
//設置元素個數
ZIPLIST_LENGTH(zl) = 0;
//設置尾元素（上面只是申請空間）
zl[bytes-1] = ZIP_END;
return zl;
}
創建壓縮鏈表的邏輯很簡單，就是申請固定的包含頭尾節點的空間，然后初始化鏈表上下文。
與創建相比，添加元素的源碼就非常冗長了，為了便于理解，在看源碼之前我們先自己梳理一下添加元素的邏輯。
上面三步是核心步驟，其余的還有更新尾節點偏移量，修改鏈表元素個數等操作。當然，由于壓縮鏈表是基于數組實現的，因此在插入或刪除元素的時候內存拷貝也是必不可少的。
總結好上面的步驟以后，我們開始一步一步分析源碼，比較長，慢慢看：
//四個參數依次是：壓縮鏈表，插入位置（新元素插入p元素后面），元素值，元素長度
unsigned char *__ziplistInsert(unsigned char *zl, unsigned char *p, unsigned char *s, unsigned int slen) {
//這里是保存當前鏈表的長度
size_t curlen = intrev32ifbe(ZIPLIST_BYTES(zl)), reqlen;
unsigned int prevlensize, prevlen = 0;
size_t offset;
int nextdiff = 0;
unsigned char encoding = 0;
long long value = 123456789;
zlentry tail;
//1. 這段邏輯目的就是獲取前置元素的長度
if (p[0] != ZIP_END) {
//如果插入位置的元素不是尾元素,則獲取該元素的長度
//這里為了后面使用方便進行了拆分，prevlensize保存encoding字段的長度，prevlen保存元素本身的長度
ZIP_DECODE_PREVLEN(p, prevlensize, prevlen);
} else {
//如果插入位置的元素是尾元素，那么需要把新元素插入鏈表尾端
//獲取到鏈表最后一個元素（注：最后一個元素不等于尾元素）
unsigned char *ptail = ZIPLIST_ENTRY_TAIL(zl);
if (ptail[0] != ZIP_END) {
//如果最后一個元素不是尾元素，則該元素為新元素的前置元素，獲取該元素長度
prevlen = zipRawEntryLength(ptail);
}
//否則說明鏈表還沒有任何元素，即新元素的前置元素長度為0
}
//2. 對新元素進行編碼，獲取新元素的總大小
if (zipTryEncoding(s,slen,&value,&encoding)) {
//如果是數字，則按數字進行編碼
reqlen = zipIntSize(encoding);
} else {
//元素長度即為字符串長度
reqlen = slen;
}
//新元素總長度為值的長度加上前置元素跟encoding元素的長度
reqlen += zipStorePrevEntryLength(NULL,prevlen);
reqlen += zipStoreEntryEncoding(NULL,encoding,slen);
//如果插入的位置不是鏈表尾，則要對新元素的后續元素的prevlen字段進行判斷
//根據上面的編碼規則，該字段可能需要擴容
int forcelarge = 0;
nextdiff = (p[0] != ZIP_END) ? zipPrevLenByteDiff(p,reqlen) : 0;
if (nextdiff == -4 && reqlen < 4) {
nextdiff = 0;
forcelarge = 1;
}
//按照新計算出的數組大小進行擴容，由于新數組的地址可能會改變，因此這里記錄舊的偏移量
offset = p-zl;
zl = ziplistResize(zl,curlen+reqlen+nextdiff);
//在新數組上計算插入位置
p = zl+offset;
//如果新插入的元素不是在鏈表末尾
if (p[0] != ZIP_END) {
//把新元素后繼元素復制到新的數組中，-1為尾元素
memmove(p+reqlen,p-nextdiff,curlen-offset-1+nextdiff);
//新元素的后繼元素的prevlen字段
if (forcelarge)
zipStorePrevEntryLengthLarge(p+reqlen,reqlen);
else
zipStorePrevEntryLength(p+reqlen,reqlen);
//更新最后一個元素的偏移量
ZIPLIST_TAIL_OFFSET(zl) = intrev32ifbe(intrev32ifbe(ZIPLIST_TAIL_OFFSET(zl))+reqlen);
//當新元素的后繼元素不止有一個時，新的尾元素偏移量需要加上nextdiff
zipEntry(p+reqlen, &tail);
if (p[reqlen+tail.headersize+tail.len] != ZIP_END) {
ZIPLIST_TAIL_OFFSET(zl) =
intrev32ifbe(intrev32ifbe(ZIPLIST_TAIL_OFFSET(zl))+nextdiff);
}
} else {
//新元素插入到鏈表尾端，更新尾端偏移量
ZIPLIST_TAIL_OFFSET(zl) = intrev32ifbe(p-zl);
}
//nextdiff !=0表示后繼元素的長度發生變化，因此我們需要級聯更新后繼元素的后繼元素
if (nextdiff != 0) {
offset = p-zl;
zl = __ziplistCascadeUpdate(zl,p+reqlen);
p = zl+offset;
}
//把新元素寫入鏈表
p += zipStorePrevEntryLength(p,prevlen);
p += zipStoreEntryEncoding(p,encoding,slen);
if (ZIP_IS_STR(encoding)) {
memcpy(p,s,slen);
} else {
zipSaveInteger(p,value,encoding);
}
//壓縮鏈表存儲元素數量+1
ZIPLIST_INCR_LENGTH(zl,1);
return zl;
}
分析完插入元素的邏輯，長舒一口氣，真的很長，細節也很多。
接下來在再看下刪除元素的過程，與添加相比，刪除相對要簡單一些，清空當前元素以后，需要把后繼元素一個一個拷貝上來（這也是數組跟鏈表兩個數據結構的差別），然后注意是否需要級聯更新，上代碼：
//參數依次為：壓縮鏈表，刪除元素的其實位置，刪除元素的個數
unsigned char *__ziplistDelete(unsigned char *zl, unsigned char *p, unsigned int num) {
unsigned int i, totlen, deleted = 0;
size_t offset;
int nextdiff = 0;
zlentry first, tail;
//讀取p指向的元素保存在first中
zipEntry(p, &first);
for (i = 0; p[0] != ZIP_END && i < num; i++) {
//統計總共刪除的長度
p += zipRawEntryLength(p);
//統計實際刪除元素的個數
deleted++;
}
//需要刪除元素的字節數
totlen = p-first.p;
if (totlen > 0) {
if (p[0] != ZIP_END) {
//判斷元素大小是否有改變
nextdiff = zipPrevLenByteDiff(p,first.prevrawlen);
//修改刪除元素之后的元素的prevlen字段
p -= nextdiff;
zipStorePrevEntryLength(p,first.prevrawlen);
//更新末尾元素的偏移量
ZIPLIST_TAIL_OFFSET(zl) =intrev32ifbe(intrev32ifbe(ZIPLIST_TAIL_OFFSET(zl))-totlen);
//當刪除元素的后繼元素不止有一個時，新的末尾元素偏移量需要加上nextdiff
zipEntry(p, &tail);
if (p[tail.headersize+tail.len] != ZIP_END) {
ZIPLIST_TAIL_OFFSET(zl) =
intrev32ifbe(intrev32ifbe(ZIPLIST_TAIL_OFFSET(zl))+nextdiff);
}
//把后面剩余的元素移動至前面
memmove(first.p,p,
intrev32ifbe(ZIPLIST_BYTES(zl))-(p-zl)-1);
} else {
//直接刪除到鏈表末尾，因此不需要內存拷貝，只需修改最后一個元素的偏移量
ZIPLIST_TAIL_OFFSET(zl) =
intrev32ifbe((first.p-zl)-first.prevrawlen);
}
//resize數組大小
offset = first.p-zl;
zl = ziplistResize(zl, intrev32ifbe(ZIPLIST_BYTES(zl))-totlen+nextdiff);
//修改鏈表元素個數
ZIPLIST_INCR_LENGTH(zl,-deleted);
p = zl+offset;
//nextdiff != 0表示元素大小發生變化，需要進行級聯更新
if (nextdiff != 0)
zl = __ziplistCascadeUpdate(zl,p);
}
return zl;
}
最后我們看下元素的查找操作：
//參數依次為：壓縮鏈表，要查找元素的值，要查找元素的長度，每次比較之間跳過的元素個數
unsigned char *ziplistFind(unsigned char *p, unsigned char *vstr, unsigned int vlen, unsigned int skip) {
int skipcnt = 0;
unsigned char vencoding = 0;
long long vll = 0;
//只要還沒到尾元素就不斷循環
while (p[0] != ZIP_END) {
unsigned int prevlensize, encoding, lensize, len;
unsigned char *q;
//查詢鏈表當前元素的prevlen字段
ZIP_DECODE_PREVLENSIZE(p, prevlensize);
//查詢鏈表當前元素的encoding字段
ZIP_DECODE_LENGTH(p + prevlensize, encoding, lensize, len);
q = p + prevlensize + lensize;
//已到達需要比較的元素位置
if (skipcnt == 0) {
//如果鏈表中的當前元素時字符串
if (ZIP_IS_STR(encoding)) {
//跟要查找的字符串進行比較
if (len == vlen && memcmp(q, vstr, vlen) == 0) {
//匹配成功，則要查找元素的指針
return p;
}
} else {
//如果當前元素為數字且vencoding為0
if (vencoding == 0) {
//嘗試對要查找的值進行數字編碼
if (!zipTryEncoding(vstr, vlen, &vll, &vencoding)) {
//如果編碼失敗，則說明要查找的元素根本不是數字
//然后把vencoding設置為最大值，起一個標記作用
//也就是說后面就不用嘗試把要查找的值編碼成數字了
vencoding = UCHAR_MAX;
}
assert(vencoding);
}
//如果vencoding != UCHAR_MAX，則說明要查找的元素成功編碼為數字
if (vencoding != UCHAR_MAX) {
//按數字取出當前鏈表中的元素
long long ll = zipLoadInteger(q, encoding);
if (ll == vll) {
//如果兩個數字相等，則返回元素指針
return p;
}
}
}
//重置需要跳過的元素個數
skipcnt = skip;
} else {
//跳過元素
skipcnt--;
}
//遍歷下個元素
p = q + len;
}
//遍歷完整個鏈表，沒有找到元素
return NULL;
}
到這里就把壓縮鏈表的創建，添加，刪除，查找四個基本操作原理總結完了。
三、壓縮鏈表ziplist數據結構總結
壓縮鏈表ziplist在redis中的應用非常廣泛，它算是redis中最具特色的數據結構了。該數據結構的精髓其實就在于文章第一部分總結的編碼規則，先理清楚這部分內容，后面的源碼可以簡單看下加深理解。
不得不說源碼部分著實有點冗長，確實需要耐心，我自己在讀的過程中也很頭大。如果對源碼感興趣的話，建議按我的方法，先自己梳理某個操作（例如上面提到的插入元素）需要做哪些事情，然后再看代碼可能會更好理解一些。
最后留一個小問題，既然redis中的ziplist對內存利用率如此之高，那為什么還要提供普通的鏈表結構供用戶使用呢？
這個問題沒有標準答案，仁者見仁智者見智吧~
總結
以上就是這篇文章的全部內容了，希望本文的內容對大家的學習或者工作具有一定的參考學習價值，如果有疑問大家可以留言交流，謝謝大家對億速云的支持。
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