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Redis数据结构底层系列-SDS

时间:2021-09-16 00:32:26      阅读:6      评论:0      收藏:0      [点我收藏+]

String在Redis底层是怎么存储的?这些数据类型在Redis中是怎么存放的?Redis快的原因就只有单线程和基于内存么?

 

Redis是C语言开发的,C语言自己就有字符类型,但是Redis却没直接采用C语言的字符串类型,而是自己构建了动态字符串(SDS)的抽象类型。

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 就好比这样的一个命令,其实我是在Redis创建了两个SDS,一个是名为aobing的Key SDS,另一个是名为cool的Value SDS,就算是字符类型的List,也是由很多的SDS构成的Key和Value罢了。

SDS在Redis中除了用作字符串,还用作缓冲区(buffer),那到这里大家都还是有点疑惑的,C语言的字符串不好么为啥用SDS?SDS长啥样?有什么优点呢?

下面是Redis的源码

struct sdshdr{
 int len;
 int free;
 char buf[];
}

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 回到最初的问题,为什么Redis用了自己新开发的SDS,而不用C语言的字符串?那好我们去看看他们的区别。

SDS与C字符串的区别

  1. 计数方式不同

C语言对字符串长度的统计,就完全来自遍历,从头遍历到末尾,直到发现空字符就停止,以此统计出字符串的长度,这样获取长度的时间复杂度来说是0(n),大概就像下面这样:

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 但是这样的计数方式会留下隐患,所以Redis没有采用C的字符串,我后面会提到。

Redis我在上面已经给大家看过结构了,他自己本身就保存了长度的信息,所以我们获取长度的时间复杂度为0(1),是不是发现了Redis快的一点小细节了?还没完,不止这些。

  1. 杜绝缓冲区溢出

字符串拼接是我们经常做的操作,在C和Redis中一样,也是很常见的操作,但是问题就来了,C是不记录字符串长度的,一旦我们调用了拼接的函数,如果没有提前计算好内存,是会产生缓存区溢出的

比如本来字符串长这样:

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你现在需要在后面拼接  ,但是你没计算好内存,结果就可能这样了:

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 这是你要的结果么?很显然,不是,你的结果意外的被修改了,这要是放在线上的系统,这不是完了?那Redis是怎么避免这样的情况的?

我们都知道,Redis结构存储了当前长度,还有free未使用的长度,那简单呀,你现在做了拼接操作,我去判断一些是否可以放得下,如果长度够就直接执行,如果不够,那我就进行扩容

这些大家在Redis源码里面都是可以看到对应的API的,后面我就不一一贴源码了,有兴趣的可以自己去看一波,需要一点C语言的基础。

  1. 减少修改字符串时带来的内存重分配次数

C语言字符串底层也是一个数组,每次创建的时候就创建一个N+1长度的字符,多的那个1,就是为了保存空字符的,这个空字符也是个坑,但是不是这个环节探讨的内容。

Redis是个高速缓存数据库,如果我们需要对字符串进行频繁的拼接和截断操作,如果我们写代码忘记了重新分配内存,就可能造成缓冲区溢出,以及内存泄露。

内存分配算法很耗时,且不说你会不会忘记重新分配内存,就算你全部记得,对于一个高速缓存数据库来说,这样的开销也是我们应该要避免的。

Redis为了避免C字符串这样的缺陷,就分别采用了两种解决方案,去达到性能最大化,空间利用最大化

  • 空间预分配当我们对SDS进行扩展操作的时候,Redis会为SDS分配好内存,并且根据特定的公式,分配多余的free空间,还有多余的1byte空间(这1byte也是为了存空字符),这样就可以避免我们连续执行字符串添加所带来的内存分配消耗。

比如现在有这样的一个字符:

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 我们调用了拼接函数,字符串边变了,Redis还会根据算法计算出一个free值给他备用:

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 我们再继续拼接,你会发现,备用的free用上了,省去了这次的内存重分配:

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  •  惰性空间释放刚才提到了会预分配多余的空间,很多小伙伴会担心带来内存的泄露或者浪费,别担心,Redis大佬一样帮我们想到了,当我们执行完一个字符串缩减的操作,redis并不会马上收回我们的空间,因为可以预防你继续添加的操作,这样可以减少分配空间带来的消耗,但是当你再次操作还是没用到多余空间的时候,Redis也还是会收回对于的空间,防止内存的浪费的。

还是一样的字符串:

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 当我们调用了删减的函数,并不会马上释放掉free空间:

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 如果我们需要继续添加这个空间就能用上了,减少了内存的重分配,如果空间不需要了,调用函数删掉就好了:

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  1. 二进制安全

上面我不止一次提到了空字符也就是’\0‘,C语言是判断空字符去判断一个字符的长度的

但是有很多数据结构经常会穿插空字符在中间,比如图片,音频,视频,压缩文件的二进制数据,

就比如下面这个单词,他只能识别前面的 不能识别后面的字符,那对于我们开发者而言,这样的结果显然不是我们想要的对不对。

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 Redis就不存在这个问题了,他不是保存了字符串的长度嘛,他不判断空字符,他就判断长度对不对就好了,

所以redis也经常被我们拿来保存各种二进制数据,我反正是用的很high,经常用来保存小文件的二进制。

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 资料参考:Redis设计与实现

参考:https://mp.weixin.qq.com/s/VY31lBOSggOHvVf54GzvYw

Redis数据结构底层系列-SDS

原文:https://www.cnblogs.com/Vincent-yuan/p/15270181.html

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