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Redis进阶 - 数据结构：对象机制详解

我们在前文已经阐述了Redis 5种基础数据类型详解，分别是字符串(string)、列表(list)、哈希(hash)、集合(set)、有序集合(zset)，以及5.0版本中Redis Stream结构详解；那么这些基础类型的底层是如何实现的呢？Redis的每种对象其实都由对象结构(redisObject) 与 对应编码的数据结构组合而成, 本文主要介绍对象结构(redisObject) 部分。@pdai

引入:从哪里开始学习底层？

我在整理Redis底层设计时，发现网上其实是有很多资料的，但是缺少一种自上而下的承接。这里我将收集很多网上的资料并重新组织，来帮助你更好的理解Redis底层设计。@pdai

我们在前文已经阐述了Redis 5种基础数据类型详解和Redis入门 - 数据结构：Stream详解；那么这些基础类型的底层是如何实现的呢？

带着这个问题我们来着手理解底层设计，首先看下图：

它反映了Redis的每种对象其实都由对象结构(redisObject) 与 对应编码的数据结构组合而成，而每种对象类型对应若干编码方式，不同的编码方式所对应的底层数据结构是不同的。

所以，我们需要从几个个角度来着手底层研究：

  • 对象设计机制: 对象结构(redisObject)
  • 编码类型和底层数据结构: 对应编码的数据结构

为什么Redis会设计redisObject对象

为什么Redis会设计redisObject对象？

在redis的命令中，用于对键进行处理的命令占了很大一部分，而对于键所保存的值的类型（键的类型），键能执行的命令又各不相同。如： LPUSH 和 LLEN 只能用于列表键, 而 SADD 和 SRANDMEMBER 只能用于集合键, 等等; 另外一些命令, 比如 DEL、 TTL 和 TYPE, 可以用于任何类型的键；但是要正确实现这些命令, 必须为不同类型的键设置不同的处理方式: 比如说, 删除一个列表键和删除一个字符串键的操作过程就不太一样。

以上的描述说明, Redis 必须让每个键都带有类型信息, 使得程序可以检查键的类型, 并为它选择合适的处理方式.

比如说， 集合类型就可以由字典和整数集合两种不同的数据结构实现， 但是， 当用户执行 ZADD 命令时， 他/她应该不必关心集合使用的是什么编码， 只要 Redis 能按照 ZADD 命令的指示， 将新元素添加到集合就可以了。

这说明, 操作数据类型的命令除了要对键的类型进行检查之外, 还需要根据数据类型的不同编码进行多态处理.

为了解决以上问题, Redis 构建了自己的类型系统, 这个系统的主要功能包括:

  • redisObject 对象.
  • 基于 redisObject 对象的类型检查.
  • 基于 redisObject 对象的显式多态函数.
  • 对 redisObject 进行分配、共享和销毁的机制.

redisObject数据结构

redisObject 是 Redis 类型系统的核心, 数据库中的每个键、值, 以及 Redis 本身处理的参数, 都表示为这种数据类型.

/*
 * Redis 对象
 */
typedef struct redisObject {

    // 类型
    unsigned type:4;

    // 编码方式
    unsigned encoding:4;

    // LRU - 24位, 记录最末一次访问时间（相对于lru_clock）; 或者 LFU（最少使用的数据：8位频率，16位访问时间）
    unsigned lru:LRU_BITS; // LRU_BITS: 24

    // 引用计数
    int refcount;

    // 指向底层数据结构实例
    void *ptr;

} robj;

下图对应上面的结构

其中type、encoding和ptr是最重要的三个属性。

  • type记录了对象所保存的值的类型，它的值可能是以下常量中的一个：
/*
* 对象类型
*/
#define OBJ_STRING 0 // 字符串
#define OBJ_LIST 1 // 列表
#define OBJ_SET 2 // 集合
#define OBJ_ZSET 3 // 有序集
#define OBJ_HASH 4 // 哈希表
  • encoding记录了对象所保存的值的编码，它的值可能是以下常量中的一个：
/*
* 对象编码
*/
#define OBJ_ENCODING_RAW 0     /* Raw representation */
#define OBJ_ENCODING_INT 1     /* Encoded as integer */
#define OBJ_ENCODING_HT 2      /* Encoded as hash table */
#define OBJ_ENCODING_ZIPMAP 3  /* 注意：版本2.6后不再使用. */
#define OBJ_ENCODING_LINKEDLIST 4 /* 注意：不再使用了，旧版本2.x中String的底层之一. */
#define OBJ_ENCODING_ZIPLIST 5 /* Encoded as ziplist */
#define OBJ_ENCODING_INTSET 6  /* Encoded as intset */
#define OBJ_ENCODING_SKIPLIST 7  /* Encoded as skiplist */
#define OBJ_ENCODING_EMBSTR 8  /* Embedded sds string encoding */
#define OBJ_ENCODING_QUICKLIST 9 /* Encoded as linked list of ziplists */
#define OBJ_ENCODING_STREAM 10 /* Encoded as a radix tree of listpacks */
  • ptr是一个指针，指向实际保存值的数据结构，这个数据结构由type和encoding属性决定。举个例子， 如果一个redisObject 的type 属性为OBJ_LIST ， encoding 属性为OBJ_ENCODING_QUICKLIST ，那么这个对象就是一个Redis 列表（List)，它的值保存在一个QuickList的数据结构内，而ptr 指针就指向quicklist的对象；

下图展示了redisObject 、Redis 所有数据类型、Redis 所有编码方式以及底层数据结构之间的关系（pdai：从6.0版本中梳理而来）：

注意：OBJ_ENCODING_ZIPMAP没有出现在图中，因为在redis2.6开始，它不再是任何数据类型的底层结构(虽然还有zipmap.c的代码); OBJ_ENCODING_LINKEDLIST也不支持了，相关代码也删除了。

  • lru属性: 记录了对象最后一次被命令程序访问的时间

空转时长：当前时间减去键的值对象的lru时间，就是该键的空转时长。Object idletime命令可以打印出给定键的空转时长

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。

命令的类型检查和多态

那么Redis是如何处理一条命令的呢？

当执行一个处理数据类型命令的时候，redis执行以下步骤

  • 根据给定的key，在数据库字典中查找和他相对应的redisObject，如果没找到，就返回NULL；
  • 检查redisObject的type属性和执行命令所需的类型是否相符，如果不相符，返回类型错误；
  • 根据redisObject的encoding属性所指定的编码，选择合适的操作函数来处理底层的数据结构；
  • 返回数据结构的操作结果作为命令的返回值。

比如现在执行LPOP命令：

对象共享

redis一般会把一些常见的值放到一个共享对象中，这样可使程序避免了重复分配的麻烦，也节约了一些CPU时间。

redis预分配的值对象如下：

  • 各种命令的返回值，比如成功时返回的OK，错误时返回的ERROR，命令入队事务时返回的QUEUE，等等
  • 包括0 在内，小于REDIS_SHARED_INTEGERS的所有整数（REDIS_SHARED_INTEGERS的默认值是10000）

注意：共享对象只能被字典和双向链表这类能带有指针的数据结构使用。像整数集合和压缩列表这些只能保存字符串、整数等自勉之的内存数据结构

为什么redis不共享列表对象、哈希对象、集合对象、有序集合对象，只共享字符串对象？

  • 列表对象、哈希对象、集合对象、有序集合对象，本身可以包含字符串对象，复杂度较高。
  • 如果共享对象是保存字符串对象，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多个值的对象，其中值本身又是字符串对象，即其它对象中嵌套了字符串对象，比如列表对象、哈希对象，那么验证操作的复杂度将会是O(N的平方)

如果对复杂度较高的对象创建共享对象，需要消耗很大的CPU，用这种消耗去换取内存空间，是不合适的

引用计数以及对象的消毁

redisObject中有refcount属性，是对象的引用计数，显然计数0那么就是可以回收。

  • 每个redisObject结构都带有一个refcount属性，指示这个对象被引用了多少次；
  • 当新创建一个对象时，它的refcount属性被设置为1；
  • 当对一个对象进行共享时，redis将这个对象的refcount加一；
  • 当使用完一个对象后，或者消除对一个对象的引用之后，程序将对象的refcount减一；
  • 当对象的refcount降至0 时，这个RedisObject结构，以及它引用的数据结构的内存都会被释放。

小结

  • redis使用自己实现的对象机制（redisObject)来实现类型判断、命令多态和基于引用次数的垃圾回收；
  • redis会预分配一些常用的数据对象，并通过共享这些对象来减少内存占用，和避免频繁的为小对象分配内存。

参考文章

  • https://www.cnblogs.com/gaopengfirst/p/10072680.html
  • https://www.cnblogs.com/neooelric/p/9621736.html
  • https://juejin.cn/post/6844904192042074126
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