Redis 概念以及底層數據結構

Redis 簡介
REmote DIctionary Server(Redis) 是一個由SalvatoreSanfilippo寫的key-value存儲系統。

Redis是一個開源的使用ANSI C語言編寫、遵守BSD協議、支持網絡、可基于內存亦可持久化的日志型、Key-Value數據庫，并提供多種語言的API。

它通常被稱為數據結構服務器，因為值（value）可以是字符串(String), 哈希(Map), 列表(list), 集合(sets) 和有序集合(sorted sets)等類型。

Redis特點
Redis 是完全開源免費的，遵守BSD協議，是一個高性能的key-value數據庫。

Redis 與其他 key - value 緩存產品有以下三個特點：

Redis支持數據的持久化，可以將內存中的數據保持在磁盤中，重啟的時候可以再次加載進行使用。

Redis不僅僅支持簡單的key-value類型的數據，同時還提供list，set，zset，hash等數據結構的存儲。

Redis支持數據的備份，即master-slave模式的數據備份。

Redis 優勢
性能極高 – Redis能讀的速度是110000次/s,寫的速度是81000次/s 。

豐富的數據類型 – Redis支持 Strings, Lists, Hashes, Sets 及 Ordered Sets 數據類型操作。

原子 – Redis的所有操作都是原子性的，同時Redis還支持對幾個操作全并后的原子性執行。

豐富的特性 – Redis 還支持 publish/subscribe, 隊列，key 過期等等特性。

Redis對象類型簡介
Redis是一種key/value型數據庫，其中，每個key和value都是使用對象表示的。 比如，我們執行以下代碼：

redis＞ SET message "hello redis"  

其中的key是message，是一個包含了字符串"message"的對象。而value是一個包含了"hello redis"的對象。 Redis共有五種對象的類型，分別是

Redis中的一個對象的結構體表示如下：

typedef struct redisObject {  

    // 類型  
    unsigned type:4;          

    // 編碼方式  
    unsigned encoding: 4;  

    // 引用計數  
    int refcount;  

    // 指向對象的值  
    void *ptr;  

} robj;  

type表示了該對象的對象類型，即上面五個中的一個。但為了提高存儲效率與程序執行效率，每種對象的底層數據結構實現都可能不止一種。encoding就表示了對象底層所使用的編碼。

Redis對象底層數據結構

字符串對象
字符串對象的編碼可以是int、raw或者embstr 如果一個字符串的內容可以轉換為long，那么該字符串就會被轉換成為long類型，對象的ptr就會指向該long，并且對象類型也用int類型表示。 普通的字符串有兩種，embstr和raw。embstr應該是Redis 3.0新增的數據結構,在2.8中是沒有的。如果字符串對象的長度小于39字節，就用embstr對象。否則用傳統的raw對象。

#define REDIS_ENCODING_EMBSTR_SIZE_LIMIT 44  
robj *createStringObject(char *ptr, size_t len) {  
    if (len <= REDIS_ENCODING_EMBSTR_SIZE_LIMIT)  
        return createEmbeddedStringObject(ptr,len);  
    else  
        return createRawStringObject(ptr,len);  
}  

embstr的好處有如下幾點：

embstr的創建只需分配一次內存，而raw為兩次（一次為sds分配對象，另一次為objet分配對象，embstr省去了第一次）。
相對地，釋放內存的次數也由兩次變為一次。
embstr的objet和sds放在一起，更好地利用緩存帶來的優勢。
raw和embstr的區別可以用下面兩幅圖所示：

列表對象 列表對象的編碼可以是ziplist或者linkedlist
ziplist是一種壓縮鏈表，它的好處是更能節省內存空間，因為它所存儲的內容都是在連續的內存區域當中的。當列表對象元素不大，每個元素也不大的時候，就采用ziplist存儲但當數據量過大時就ziplist就不是那么好用了。因為為了保證他存儲內容在內存中的連續性，插入的復雜度是O(N)，即每次插入都會重新進行realloc。如下圖所示，對象結構中ptr所指向的就是一個ziplist整個ziplist只需要malloc一次，它們在內存中是一塊連續的區域。

linkedlist是一種雙向鏈表。它的結構比較簡單，節點中存放pre和next兩個指針，還有節點相關的信息。當每增加一個node的時候，就需要重新malloc一塊內存。

哈希對象 哈希對象的底層實現可以是ziplist或者hashtable。 ziplist中的哈希對象是按照key1,value1,key2,value2這樣的順序存放來存儲的。當對象數目不多且內容不大時，這種方式效率是很高的。
hashtable的是由dict這個結構來實現的, dict是一個字典，其中的指針dicht ht[2] 指向了兩個哈希表

typedef struct dict {  
    dictType *type;  
    void *privdata;  
    dictht ht[2];  
    long rehashidx; /* rehashing not in progress if rehashidx == -1 */  
    int iterators; /* number of iterators currently running */  
} dict;  
typedef struct dictht {  
    dictEntry **table;  
    unsigned long size;  
    unsigned long sizemask;  
    unsigned long used;  
} dictht;  

dicht[0] 是用于真正存放數據，dicht[1]一般在哈希表元素過多進行rehash的時候用于中轉數據。 dictht中的table用語真正存放元素了，每個key/value對用一個dictEntry表示，放在dictEntry數組中。

集合對象 集合對象的編碼可以是intset或者hashtable intset是一個整數集合，里面存的為某種同一類型的整數，支持如下三種長度的整數：

#define INTSET_ENC_INT16 (sizeof(int16_t))  
#define INTSET_ENC_INT32 (sizeof(int32_t))  
#define INTSET_ENC_INT64 (sizeof(int64_t))  

intset是一個有序集合，查找元素的復雜度為O(logN)，但插入時不一定為O(logN)，因為有可能涉及到升級操作。比如當集合里全是int16_t型的整數，這時要插入一個int32_t，那么為了維持集合中數據類型的一致，那么所有的數據都會被轉換成int32_t類型，涉及到內存的重新分配，這時插入的復雜度就為O(N)了。 intset不支持降級操作。

有序集合對象 有序集合的編碼可能兩種，一種是ziplist，另一種是skiplist與dict的結合。 ziplist作為集合和作為哈希對象是一樣的，member和score順序存放。按照score從小到大順序排列 skiplist是一種跳躍表，它實現了有序集合中的快速查找，在大多數情況下它的速度都可以和平衡樹差不多。但它的實現比較簡單，可以作為平衡樹的替代品。它的結構比較特殊。下面分別是跳躍表skiplist和它內部的節點skiplistNode的結構體：

/* 
 * 跳躍表 
 */  
typedef struct zskiplist {  
    // 頭節點，尾節點  
    struct zskiplistNode *header, *tail;  
    // 節點數量  
    unsigned long length;  
    // 目前表內節點的最大層數  
    int level;  
} zskiplist;  
/* ZSETs use a specialized version of Skiplists */  
/* 
 * 跳躍表節點 
 */  
typedef struct zskiplistNode {  
    // member 對象  
    robj *obj;  
    // 分值  
    double score;  
    // 后退指針  
    struct zskiplistNode *backward;  
    // 層  
    struct zskiplistLevel {  
        // 前進指針  
        struct zskiplistNode *forward;  
        // 這個層跨越的節點數量  
        unsigned int span;  
    } level[];  
} zskiplistNode;  

head和tail分別指向頭節點和尾節點，然后每個skiplistNode里面的結構又是分層的(即level數組) 用圖表示，大概是下面這個樣子：

總結
以上簡單介紹了Redis的簡介，特性以及五種對象類型和五種對象類型的底層實現。事實上，Redis的高效性和靈活性正是得益于同一個對象類型采用不同的底層結構，并且在必要的時候對二者進行轉換，還有就是各種底層結構對內存的合理利用。