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解析Redis 数据结构之简单动态字符串sds

2021-11-29 09:37:05 作者：小码code

Redis 的 string 类型为何使用sds而不是 C 字符串，本文主要介绍 string 的数据结构—— 简单动态字符串（Simple Dynamic String）简称sds的相关知识,需要的朋友可以参考下

Redis是用ANSI C语言编写的，它是一个高性能的key-value数据库，它可以作用在数据库、缓存和消息中间件。其中 Redis 键值对中的键都是 string 类型，而键值对中的值也是有 string 类型，在 Redis 中 string 类型运用还是很广泛的。本文主要介绍 string 的数据结构—— 简单动态字符串（Simple Dynamic String）简称sds。

sds 实现

sds 的数据结构:

struct sdshdr {

     //buf 已占用的长度
     int len;

     // buf 剩余的可用的长度
     int free;
   
     // 保存字符串数据的地方
     char buf[]; 
}

结构 sdshdr 保存了 len、free 和 buf 三个属性，分别记录字符的已使用的长度，未使用的长度，以及实际保存字符串的数组。
以下是一个新建的，保存 hello world 字符串的 sdshdr 结构：

struct sdshdr {
    len = 5;
    free = 0;
    buf = "hello\0"; 
}

free 属性值为0，表示这个sds没有分配未使用的空间。
len 属性值为5，表示这个sds保存了一个五字节长的字符串。
buf 属性是一个 char 类型的数组，数组的前五个字节分别保存了 'h'、'e'、'l'、'l'、'o' 五个字符，而最后一个字节保存了空字符'\0'。

sds 遵守 C 字符串以空字符串结尾的惯例，保存的空字符串一个字节空间不计算在 sds 的 len 属性里面。添加空字符串到字符串末尾等操作，都是由 sds 函数自动完成的，所以这个空字符对于使用者来说完全是透明的。

通过 len 属性，可以实现时间复杂度 O(1) 的长度计算。另外通过对 buf 分配一些额外的空间，并使用 free 记录未使用空间的长度，sdshdr 可以减少内存的重新分配。这是 sds 相对 c 字符串的一个优势。

为何 Redis 不用 C 语言表示字符串

Redis 是使用 C 语言开发的，而在使用最多的字符串上，Redis 没有使用 C 语言传统的字符串表示，而且使用自己构建的简单动态字符串（sds）。
在 C 语言中，字符串可以用一个 \0 结尾的 char 数组表示。比如 hello world 在 C 语言中就可以表示为"hello world\0"。数组一般初始化以后长度就已经固定了，不能支持字符串追加append和长度计算操作：

每次计算字符串长度都要遍历一遍数组，所以时间复杂度是O(N)
对字符串每次进行追加操作，需要对字符串进行一次内存分配

sds 优化追加字符操作

Redis 作为数据库，对于查询速度要求严格，数据修改也比较频繁，如果每次修改字符串都需要执行一次内存分配的话，都会占用大量的时间。所以 Redis 选择了 sds 而不是 C 字符串，sds 可以减少追加字符的内存分配。通过举例来说明，执行以下操作时，sds 内部的变化：

redis> set msg "hello world"
OK

redis> append msg " again"
(integer)18

redis> get msg
"hello world again"

首先 set 命令创建并保存hello world 到一个 sdshdr 中，这个 sdshdr 的值如下：

struct sdshdr {
     len = 11;
     free = 0;
     buf = "hello world\0";
}

当执行 append 命令时，相对应的 sdshdr 被更新，字符串 " again" 会被追加到原来的 "hello world" 之后：

struct sdshdr {
     len = 17;
     free = 17;
     buf = "hello world again\0                ";
}

当调用 set 命令创建 sdshdr 时，Redis 没有给 sdshdr 分配多余的空间，free 属性为0。而在执行 append 操作之后，Redis 为 buf 分配了多于所需空间一倍的大小。

在执行 append 命令之后，保存 "hello world again" 共需要17 + 1 个字节，但是程序为 sdshdr 分配了 17 + 17 + 1 = 35 个字节，而后续如果在对 sdshdr 进行追加操作，只要追加的长度不超过 free 属性值，那么就不需要对 buf 进行内存重分配。

比如执行以后命令并不会引起 buf 的内存重分配，因为新追加的字符串长度小于17：

redis> append msg  " again"
(integer) 23

对应的 sdshdr 结构如下：

struct sdshdr {
     len = 23;
     free = 11;
     buf = "hello world again again\0               ";
}

redis 内存分配可以查看源码 sds.s/sdsMakeRoomFor，sdsMakeRoomFor 函数描述了内存分配的策略，下面的该函数的伪代码：

// sdshdr:追加前的字符
// addlen：追加字符串
sds sdsMakeRoomFor(sdshdr, addlen) {
   
    // 多余空间大于追加空间，无序再分配内存，直接返回
    if (free >= addlen) return s;
    // 计算新字符的长度
    newlen = (len+addlen); 
   // 如果新字符的长度小于 SDS_MAX_PREALLOC，就分配两倍新字符空间
  //  如果新字符的长度大于 SDS_MAX_PREALLOC，就分配新字符空间 + SDS_MAX_PREALLOC 空间
    if (newlen < SDS_MAX_PREALLOC)
        newlen *= 2;
    else
        newlen += SDS_MAX_PREALLOC;
    // 分配内存
    newsh = zrealloc(sh, sizeof(struct sdshdr)+newlen+1);
    // 更新 free 属性
    newsh.free = newlen - len;
    return newsh;
}

而对于字符的缩短操作，Redis 保存缩短后的字符串，此时并不会进行内存重分配，而是使用 free 属性记录缩短的字符长度。

总结

Redis 的 string 类型为何使用sds而不是 C 字符串，因为sds有两点优势：

计算字符长度，C 字符串复杂度O（n），而 sds 复杂度为 O（1）
字符追加操作，C 字符串每次都需要对内存进行重分配，而 sds 每次会进行动态扩容，当添加字符小于空闲字符时，不会对内容进行分配，减少系统等待时间

参考

Redis 设计与实现

到此这篇关于深入理解Redis 数据结构—简单动态字符串sds的文章就介绍到这了,更多相关Redis 数据结构动态字符串sds内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家！

解析Redis 数据结构之简单动态字符串sds

sds 实现

为何 Redis 不用 C 语言表示字符串

sds 优化追加字符操作

总结

参考

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