关于java:Redis源码剖析之SDSSimple-Dynamic-String

SDS(simple dynamic string)是Redis提供的字符串的封装，在redis中也是存在最宽泛的数据结构，它也是很多其余数据结构的根底，所以才抉择先介绍SDS。 SDS也兼容局部C字符串API(strcmp,strlen)，它如何兼容C字符串我感觉也是有个很sao的操作，等看完我这篇博客你就明确了。在开始正式内容前，我先抛几个问题(有些也是面试高频题)，带着问题去学习也是一种十分好的学习办法。

C语言中也算是反对String了，为什么Redis还要本人封装一个？
SDS中的D(dynamic)到底是什么含意？
SDS的数据结构是啥样的？为什么要那么设计？
SDS是如何兼容C字符串的?

Redis中sds相干的源码都在src/sds.c 和src/sds.h中（链接能够间接跳转到我中文正文版redis源码），其中sds.h中定义了所有SDS的api，当然也实现了局部几个api，比方sds长度、sds残余可用空间……，不急着看代码，咱们先看下sds的数据结构，看完后为什么代码那么写你就高深莫测。

sdshdr数据结构

redis提供了sdshdr5 sdshdr8 sdshdr16 sdshdr32 sdshdr64这几种sds的实现，其中除了sdshdr5比拟非凡外，其余几种sdshdr差不只在于两个字段的类型差异。我就拿 sdshdr8和sdshdr16来举例，其struct定义别离如下。

struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr8 {
    uint8_t len; /* 已应用空间大小 */
    uint8_t alloc; /* 总共可用的字符空间大小，应该是理论buf的大小减1(因为c字符串开端必须是\0,不计算在内) */
    unsigned char flags; /* 标记位，次要是辨认这是sdshdr几，目前只用了3位，还有5位空余 */
    char buf[];   /* 真正存储字符串的中央 */
};
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr16 {
    uint16_t len; /* used */
    uint16_t alloc; /* excluding the header and null terminator */
    unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits */
    char buf[];
};

sdshdr32 sdshdr64也和下面的构造统一，差异只在于len和alloc的数据类型不一样而已。相较于c原生的字符串，sds多了len、alloc、flag三个字段来存储一些额定的信息，redis思考到了字符串拼接时带来的微小损耗，所以每次新建sds的时候会预调配一些空间来应答将来的增长，sds和C string的关系相熟java的旁友可能会决定就好比java中String和StringBuffer的关系。正是因为预留空间的机制，所以redis须要记录下来已调配和总空间大小，当然可用空间可用间接算进去。

下一个问题，为什么redis费神费劲要提供sdshdr5到sdshdr64这五种SDS呢？我觉着这只能阐明Redis作者抠内存抠到机制，就义了代码的简洁性换取了每个sds省下来的几个字节的内存空间。从sds初始化办法sdsnew和sdsnewlen中咱们就能够看出，redis在新建sds时须要传如初始化长度，而后依据初始化的长度确定用哪种sdshdr，小于2^8长度的用sdshdr8，这样len和alloc只占用两个字节，比拟短字符串可能十分多，所以节省下来的内存还是十分可观的，晓得了sds的数据结构和设计原理，sdsnewlen的代码就十分好懂了，如下：

sds sdsnewlen(const void *init, size_t initlen) {
    void *sh;
    sds s;
    // 依据初始化的长度确定用哪种sdshdr
    char type = sdsReqType(initlen);
    /* 空字符串大概率之后会append，但sdshdr5不适宜用来append，所以间接替换成sdshdr8 */
    if (type == SDS_TYPE_5 && initlen == 0) type = SDS_TYPE_8;
    int hdrlen = sdsHdrSize(type);
    unsigned char *fp; /* flags pointer. */

    sh = s_malloc(hdrlen+initlen+1);
    if (sh == NULL) return NULL;
    if (init==SDS_NOINIT)
        init = NULL;
    else if (!init)
        memset(sh, 0, hdrlen+initlen+1);
    /* 留神：返回的s并不是间接指向sds的指针，而是指向sds中字符串的指针，sds的指针还须要
     * 依据s和hdrlen计算出来 */
    s = (char*)sh+hdrlen;  
    fp = ((unsigned char*)s)-1;
    switch(type) {
        case SDS_TYPE_5: {
            *fp = type | (initlen << SDS_TYPE_BITS);
            break;
        }
        case SDS_TYPE_8: {
            SDS_HDR_VAR(8,s);
            sh->len = initlen;
            sh->alloc = initlen;
            *fp = type;
            break;
        }
        case SDS_TYPE_16: {
            SDS_HDR_VAR(16,s);
            sh->len = initlen;
            sh->alloc = initlen;
            *fp = type;
            break;
        }
        case SDS_TYPE_32: {
            SDS_HDR_VAR(32,s);
            sh->len = initlen;
            sh->alloc = initlen;
            *fp = type;
            break;
        }
        case SDS_TYPE_64: {
            SDS_HDR_VAR(64,s);
            sh->len = initlen;
            sh->alloc = initlen;
            *fp = type;
            break;
        }
    }
    if (initlen && init)
        memcpy(s, init, initlen);
    s[initlen] = '\0';
    return s;
}

SDS的应用

下面代码中我特意标注了一个留神，sdsnewlen()返回的sds指针并不是间接指向sdshdr的地址，而是间接指向了sdshdr中buf的地址。这样做有啥益处？益处就是这样能够兼容c原生字符串。buf其实就是C 原生字符串+局部空余空间，两头是特殊符号’0’隔开，‘0’有是标识C字符串开端的符号，这样就实现了和C原生字符串的兼容，局部C字符串的API也就能够间接应用了。当然这也有害处，这样就没法间接拿到len和alloc的具体值了，然而也不是没有方法。

当咱们拿到一个sds，假如这个sds就叫s吧，其实一开始咱们对这个sds无所不知，连他是sdshdr几都不晓得，这时候能够看下s的后面一个字节，咱们曾经晓得sdshdr的数据结构了，前一个字节就是flag，依据flag具体的值咱们就能够推断出s具体是哪个sdshdr，也能够推断出sds的真正地址，相应的就晓得了它的len和alloc，晓得了这点，上面这些有点艰涩的代码就很好了解了。

oldtype = s[-1] & SDS_TYPE_MASK; // SDS_TYPE_MASK = 7 看下s后面一个字节(flag)推算出sdshdr的类型。 

// 这个宏定义间接推算出sdshdr头部的内存地址
#define SDS_HDR(T,s) ((struct sdshdr##T *)((s)-(sizeof(struct sdshdr##T))))
#define SDS_TYPE_5_LEN(f) ((f)>>SDS_TYPE_BITS)

// 获取sds反对的长度  
static inline size_t sdslen(const sds s) {
    unsigned char flags = s[-1];  // -1 相当于获取到了sdshdr中的flag字段  
    switch(flags&SDS_TYPE_MASK) {  
        case SDS_TYPE_5:
            return SDS_TYPE_5_LEN(flags);
        case SDS_TYPE_8:
            return SDS_HDR(8,s)->len;  // 宏替换获取到sdshdr中的len
        ...
        // 省略 SDS_TYPE_16 SDS_TYPE_32的代码…… 
        case SDS_TYPE_64:
            return SDS_HDR(64,s)->len;
    }
    return 0;
}
// 获取sds残余可用空间大小 
static inline size_t sdsavail(const sds s) {
    unsigned char flags = s[-1];
    switch(flags&SDS_TYPE_MASK) {
        case SDS_TYPE_5: {
            return 0;
        }
        case SDS_TYPE_8: {
            SDS_HDR_VAR(8,s);
            return sh->alloc - sh->len;
        }
        ... 
        // 省略 SDS_TYPE_16 SDS_TYPE_32的代码…… 
        case SDS_TYPE_64: {
            SDS_HDR_VAR(64,s);
            return sh->alloc - sh->len;
        }
    }
    return 0;
}
/* 返回sds理论的起始地位指针 */
void *sdsAllocPtr(sds s) {
    return (void*) (s-sdsHdrSize(s[-1]));
}

SDS的扩容

在做字符串拼接的时候，sds可能残余的可用空间有余，这个时候须要扩容，什么时候该扩容，又该怎么扩? 这是不得不思考的问题。Java中很多数据结构都有动静扩容的机制，比方和sds很相似的StringBuffer，HashMap，他们都会在应用过程中动静判断是否空间短缺，而且基本上都采纳了先指数扩容，而后到肯定大小限度后才开始线性扩容的形式，Redis也不例外，Redis在10241024以内都是2倍的形式扩容，只有不超出10241024都是先额定申请200%的空间，但一旦总长度超过10241024字节，那每次最多只会扩容10241024字节。 Redis中sds扩容的代码是在sdsMakeRoomFor()，能够看到很多字符串变更的API结尾都间接或者间接调用这个。和Java中StringBuffer扩容不同的是，Redis这里还须要思考不同字符串长度时sdshdr类型的变动，具体代码如下：

// 扩充sds的理论可用空间，以便后续能拼接更多字符串。 
// 留神：这里理论不会扭转sds的长度，只是减少了更多可用的空间(buf) 
sds sdsMakeRoomFor(sds s, size_t addlen) {
    void *sh, *newsh;
    size_t avail = sdsavail(s);
    size_t len, newlen;
    char type, oldtype = s[-1] & SDS_TYPE_MASK; // SDS_TYPE_MASK = 7 
    int hdrlen;

    /* 如果有足够的残余空间，间接返回 */
    if (avail >= addlen) return s;

    len = sdslen(s);
    sh = (char*)s-sdsHdrSize(oldtype);
    newlen = (len+addlen);
    // 在未超出SDS_MAX_PREALLOC前，扩容都是按2倍的形式扩容，超出后只能递增 
    if (newlen < SDS_MAX_PREALLOC)  // SDS_MAX_PREALLOC = 1024*1024
        newlen *= 2;
    else
        newlen += SDS_MAX_PREALLOC;

    type = sdsReqType(newlen);

    /*  在真正应用过程中不会用到type5，如果遇到type5间接应用type8*/
    if (type == SDS_TYPE_5) type = SDS_TYPE_8;

    hdrlen = sdsHdrSize(type);
    if (oldtype==type) {
        newsh = s_realloc(sh, hdrlen+newlen+1);
        if (newsh == NULL) return NULL;
        s = (char*)newsh+hdrlen;
    } else {
        // 扩容其实就是申请新的空间，而后把旧数据挪过来  
        newsh = s_malloc(hdrlen+newlen+1);
        if (newsh == NULL) return NULL;
        memcpy((char*)newsh+hdrlen, s, len+1);
        s_free(sh);
        s = (char*)newsh+hdrlen;
        s[-1] = type;
        sdssetlen(s, len);
    }
    sdssetalloc(s, newlen);
    return s;
}

罕用API

sds.c还有很多源码我都没有贴到，其余代码实质上都是围绕sdshdr数据结构和各种字符串操作写的(基本上都是各种字符串新建、拼接、拷贝、扩容……)，只有晓得了sds的设计原理，置信你也能轻易写进去，这里我就列一下所有sds相干的API，对源码有趣味的旁友能够移步到src/sds.c，中文正文版的API列表见src/sds.c

sds sdsnewlen(const void *init, size_t initlen);  // 新建一个容量为initlen的sds
sds sdsnew(const char *init); // 新建sds，字符串为null，默认长度0 
sds sdsempty(void);  // 新建空字符“” 
sds sdsdup(const sds s); // 依据s的理论长度创立新的sds，目标是升高内存的占用
void sdsfree(sds s); // 开释sds 
sds sdsgrowzero(sds s, size_t len); // 把sds增长到指定的长度，增长进去的新的空间用0填充 
sds sdscatlen(sds s, const void *t, size_t len); // 在sds上拼接字符串t的指定长度局部 
sds sdscat(sds s, const char *t);  // 把字符串t拼接到sds上 
sds sdscatsds(sds s, const sds t); // 把两个sds拼接在一起  
sds sdscpylen(sds s, const char *t, size_t len); //  把字符串t指定长度的局部拷贝到sds上 
sds sdscpy(sds s, const char *t); // 把字符串t拷贝到sds上 

sds sdscatvprintf(sds s, const char *fmt, va_list ap); // 把用printf格式化后的字符拼接到sds上 

sds sdscatfmt(sds s, char const *fmt, ...);   // 将多个参数格式化成一个字符串后拼接到sds上 
sds sdstrim(sds s, const char *cset);  // 在sds中移除结尾或者开端在cset中的字符  
void sdsrange(sds s, ssize_t start, ssize_t end);  // 截取sds的子串 
void sdsupdatelen(sds s); // 更新sds字符串的长度 
void sdsclear(sds s);  // 清空sds中的内容，但不开释空间 
int sdscmp(const sds s1, const sds s2);  // sds字符串比拟大小 
sds *sdssplitlen(const char *s, ssize_t len, const char *sep, int seplen, int *count);
void sdsfreesplitres(sds *tokens, int count);
void sdstolower(sds s); // 字符串转小写
void sdstoupper(sds s);  // 字符串转大写
sds sdsfromlonglong(long long value);  // 把一个long long型的数转成sds  
sds sdscatrepr(sds s, const char *p, size_t len); 
sds *sdssplitargs(const char *line, int *argc);
sds sdsmapchars(sds s, const char *from, const char *to, size_t setlen);
sds sdsjoin(char **argv, int argc, char *sep); // 把字符串数组按指定的分隔符拼接起来
sds sdsjoinsds(sds *argv, int argc, const char *sep, size_t seplen); // 把sds数组按指定的分隔符拼接起来

/* sds底层api */
sds sdsMakeRoomFor(sds s, size_t addlen);  // sds扩容
void sdsIncrLen(sds s, ssize_t incr); // 扩容指定长度
sds sdsRemoveFreeSpace(sds s); // 开释sds占用的多余空间
size_t sdsAllocSize(sds s); // 返回sds总共占用的内存大小
void *sdsAllocPtr(sds s); // 返回sds理论的起始地位指针

void *sds_malloc(size_t size); // 为sds调配空间 
void *sds_realloc(void *ptr, size_t size); // 
void sds_free(void *ptr);  // 开释sds空间

结语

回到开篇的几个问题，置信看完下面的内容后你都能答复上来了，如果答复不上来那就再多看两遍，本博客+源码搭配服用成果更佳。

为了管制博客篇幅，这里只解说了外围代码，很多API的源码我都没有贴上来(毕竟太多)，有趣味的同学能够再看下源码 https://github.com/xindoo/redis/。

本文是Redis源码分析系列博文，同时也有与之对应的Redis中文正文版，有想深刻学习Redis的同学，欢送star和关注。
Redis中文注解版仓库：https://github.com/xindoo/redis
Redis源码分析专栏：https://zxs.io/s/1h

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