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浅析Redis中String数据类型及其底层编码

2023-05-25 09:14:15 作者：WARRIOR

这篇文章主要介绍 Redis 中 String 数据类型及其底层编码，文中有详细的代码示例，对大家的工作及学习有一定的帮助,需要的朋友可以参考下

从 RedisObject 说起

在 Redis 中，任意数据类型的键和值都会被封装为一个 RedisObject ，也叫做Redis对象，源码如下

/*server.h*/
typedef struct redisObject {
    unsigned type:4;
    unsigned encoding:4;
    unsigned lru:LRU_BITS; /* LRU time (relative to global lru_clock) or
                            * LFU data (least significant 8 bits frequency
                            * and most significant 16 bits access time). */
    int refcount;
    void *ptr;
} robj;

我们来看一下这个结构体中的成员变量分别代表什么：

unsigned type:4 ：对象类型，分别是 string hash list set zset ，占 4 个 bit 位，如下所示

#define OBJ_STRING 0    /* String object. */
#define OBJ_LIST 1      /* List object. */
#define OBJ_SET 2       /* Set object. */
#define OBJ_ZSET 3      /* Sorted set object. */
#define OBJ_HASH 4      /* Hash object. */

unsigned encoding:4：底层编码方式，共有 11 种，4 个 bit 位
unsigned lru:LRU_BITS ：该对象最后一次被访问的时间，占 24 个 bit ，在 Redis 内存回收中起到关键作用
int refcount ：对象引用计数器，计数器为 0 则说明对象无人引用，可以被回收
void *ptr：指针，指向存放实际数据的空间

我们注意到，在 Redis 中有 5 中数据结构（用户使用的），但在底层却有 11 种编码方式，Redis 会根据存储的数据类型、存储数据的大小，选择不同的编码方式，以获得最优的性能。一种数据结构会对应多种数据结构，如下表所示。

数据类型	编码方式
OBJ_STRING	int、embstr、raw
OBJ_LIST	LinkedList和ZipList(3.2以前)、QuickList（3.2以后）
OBJ_SET	intset、HT
OBJ_ZSET	ZipList、HT、SkipList
OBJ_HASH	ZipList、HT

下面，我们现在介绍以下 String 数据类型，及其底层的编码方式。

Redis 数据结构 -- String

String 类型的基本介绍和命令

String 类型，也就是字符串类型，是Redis中最简单的存储类型。它可以存储字符串、整数或浮点数。下面是一些 String 类型常用的命令

SET key value：设置指定 key 的值为指定的字符串或数字。
GET key：获取指定 key 的值。

本地虚拟机redis:0>set key01 value01
"OK"
本地虚拟机redis:0>get key01
"value01"

INCR key：将指定 key 的值加 1，如果该 key 不存在，则先将其设置为 0，再进行加 1 操作。
DECR key：将指定 key 的值减 1，如果该 key 不存在，则先将其设置为 0，再进行减 1 操作。
INCRBY key increment：将指定 key 的值增加指定的增量。
DECRBY key decrement：将指定 key 的值减少指定的减量。
APPEND key value：将指定的值追加到指定 key 的值的末尾。
STRLEN key：返回指定 key 的值的长度。
GETRANGE key start end：返回指定 key 的值的子字符串，根据起始位置和结束位置指定。
SETRANGE key offset value：将指定 key 的值从指定偏移位置开始，替换为指定的字符串。
MSET key1 value1 [key2 value2 ...]：同时设置多个 key 的值。（”[ ]” 中括号内表示可选）
MGET key1 [key2 ...]：获取多个 key 的值。

💡 这里仅给出 SET、GET 命令，其他的请自行测试。这些命令只是 Redis String 类型命令的一小部分，Redis 还提供了其他更多的命令来处理 String 类型的数据。你可以参考 Redis 官方文档以获取完整的命令列表和详细的命令说明。

String 类型的底层实现

在 Redis 中，String 类型的数据结构并不是采用 C 语言中自带的字符串类型，C 语言中的数据结构存在很多问题，比如：

获取字符串长度的需要通过运算
非二进制安全
不可修改

因此，String 在 Redis 中有其他三种编码方式： int、embstr、raw 。其中， raw 和 embstr 类型，都是基于动态字符串（SDS）实现的，下面我们先来看看动态字符串的结构是怎样的。

动态字符串（SDS）

动态字符串的结构体如下

struct __attribute__ ((__packed__)) hisdshdr8 {
    uint8_t len; /* used */
    uint8_t alloc; /* excluding the header and null terminator */
    unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits */
    char buf[];
};

这里解释一下结构体中各个成员变量的作用：

len：已经保存的字符串字节数，不包含结束标示
alloc：申请的总的字节数，不包含结束标示
flags：不同的 SDS 的头类型，用来控制 SDS 的头大小
buf[]：真正存储数据

我们先来聊一下 flags 这个成员变量。在 redis 中其实定义了 5 个 SDS结构体（其中 hisdshdr5 已经弃用）如图所示。他们之间的主要区别在于 len 和 alloc 的长度不同。

在 redis 中，为了尽可能地节省内存空间，当字符串长度在不同的区间时，会选择不同的结构体，例如：

当字符串长度在 0~255 个字节之间时，会选择 hisdshdr8 ，这样一来，用于表示字符串字节数和申请的总字节数的空间就会被大大节省，以此类推。

例如，一个包含字符串“name”的 sds 结构如下：

SDS之所以叫做动态字符串，是因为它具备动态扩容的能力，例如一个内容为 “hello” 的 SDS，假如我们要给这个 SDS 追加一段字符串 ”world” ，这里首先会申请新内存空间：

如果新字符串小于1M，则新空间为扩展后字符串长度的两倍+1
如果新字符串大于1M，则新空间为扩展后字符串长度+1M+1。

这种机制称为内存预分配。内存预分配可以减少进行内存重新分配的开销，减少内存碎片，使得 redis 的性能得到提高，空间利用率也得到提高。

String 的三种编码方式

RAW

raw 是 string 的基本编码方式，基于简单动态字符串（SDS）实现，存储上限为512mb。当一个字符串采用 raw 的编码方式的时候，它的结构如图所示。

EMBSTR

如果存储在 SDS 中的数据小于等于 44 字节，则会采用 EMBSTR 编码，此时 **RedisObject 与 SDS 是一段连续空间。而不是像 RAW 的编码方式一样，由 ptr 指向另外一片空间，**申请内存时只需要调用一次内存分配函数，效率更高。结构如下，

💡 为什么是 44 字节？Redis 默认的内存分配器 jemalloc 分配内存大小的单位是 $2^n$ ，因此，如果分配的空间大小为 2、4 、8 … 字节等 $2^n$ 字节，就不会产生内存碎片。

而 redisObject 和 hisdshdr8 中 len alloc flags三个成员变量加起来刚刚好是 16 + 4 = 20 字节，如果 char[] （数据大小）的大小为 44 字节时，加起来刚刚好是 64 字节，也即 262^626 不会产生内存碎片。

RAW 和 EMBSTR 的编码演示

/* 44个v,采用embstr编码*/
本地虚拟机redis:0>set key vvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvv
"OK"
本地虚拟机redis:0>object encoding key
"embstr"
/* 45个v,采用embstr编码*/
本地虚拟机redis:0>set key vvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvv
"OK"
本地虚拟机redis:0>object encoding key
"raw"

INT

如果存储的字符串是整数值，并且大小在 LONG MAX 范围内，则会采用 INT 编码
直接将数据保存在 RedisObject 的 ptr 指针位置（刚好8字节)，不再需要SDS了。

INT 编码演示

本地虚拟机redis:0>set key 12
"OK"
本地虚拟机redis:0>object encoding key
"int"

写在最后：在使用 string 类型时，尽可能让其长度小于 44 字节，或者使用整数表示，使其使用 EMBSTR 和 INT 编码

以上就是浅析Redis中String数据类型及其底层编码的详细内容，更多关于Redis Redis数据类型及编码的资料请关注脚本之家其它相关文章！