Redis是一个键值对数据库（key-value DB），上面是一个简略的Redis的命令：

> SET msg "hello wolrd"

该命令将键“msg”、值“hello wolrd”这两个字符串保留到Redis数据库中。
本章剖析Redis如何在内存中保留这些字符串。

redisObject

Redis中的数据对象server.h/redisObject是Redis对外部存储的数据定义的形象类型，在深入分析Redis数据类型前，咱们先理解redisObject，它的定义如下：

typedef struct redisObject {    unsigned type:4;    unsigned encoding:4;    unsigned lru:LRU_BITS;    int refcount;    void *ptr;} robj;
  • type：数据类型。
  • encoding：编码格局，即存储数据应用的数据结构。同一个类型的数据，Redis会依据数据量、占用内存等状况应用不同的编码，最大限度地节俭内存。
  • refcount，援用计数，为了节俭内存，Redis会在多处援用同一个redisObject。
  • ptr：指向理论的数据结构，如sds，真正的数据存储在该数据结构中。
  • lru：24位，LRU工夫戳或LFU计数。

redisObject负责装载Redis中的所有键和值。redisObject.ptr指向真正存储数据的数据结构，redisObject .refcount、redisObject.lru等属性则用于治理数据（数据共享、数据过期等）。

提醒：type、encoding、lru应用了C语言中的位段定义，这3个属性应用同一个unsigned int的不同bit位。这样能够最大限度地节俭内存。

Redis定义了以下数据类型和编码，如表1-1所示。

本书第1局部会对表1-1中前五种数据类型进行剖析，最初两种数据类型会在第5局部进行剖析。如果读者当初对表1-1中内容感到纳闷，则能够先带着疑难持续浏览本书。

sds

咱们晓得，C语言中将空字符结尾的字符数组作为字符串，而Redis对此做了扩大，定义了字符串类型sds（Simple Dynamic String）。
Redis键都是字符串类型，Redis中最简略的值类型也是字符串类型，
字符串类型的Redis值可用于很多场景，如缓存HTML片段、记录用户登录信息等。

定义

提醒：本节代码如无非凡阐明，均在sds.h/sds.c中。
对于不同长度的字符串，Redis定义了不同的sds构造体：
typedef char *sds;struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr5 {    unsigned char flags;     char buf[];};struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr8 {    uint8_t len;     uint8_t alloc;    unsigned char flags;    char buf[];};...

Redis还定义了sdshdr16、sdshdr32、sdshdr64构造体。为了版面整洁，这里不展现sdshdr16、sdshdr32、sdshdr64 构造体的代码，它们与sdshdr8构造体基本相同，只是len、alloc属性应用了 uint16_t、uint32、uint64_t类型。Redis定义不同sdshdr构造体是为了针对不同长度的字符串，应用适合的len、alloc属性类型，最大限度地节俭内存。

  • len：已应用字节长度，即字符串长度。sdshdr5可寄存的字符串长度小于32（25），sdshdr8可寄存的字符串长度小于256（28），以此类推。因为该属性记录了字符串长度，所以sds能够在常数工夫内获取字符串长度。Redis限度了字符串的最大长度不能超过512MB。
  • alloc：已申请字节长度，即sds总长度。alloc-len为sds中的可用（闲暇）空间。
  • flag：低3位代表sdshdr的类型，高5位只在sdshdr5中应用，示意字符串的长度，所以sdshdr5中没有len属性。另外，因为Redis对sdshdr5的定义是常量字符串，不反对扩容，所以不存在alloc属性。
  • buf：字符串内容，sds遵循C语言字符串的标准，保留一个空字符作为buf的结尾，并且不计入len、alloc属性。这样能够间接应用C语言strcmp、strcpy等函数间接操作sds。
提醒：sdshdr构造体中的buf数组并没有指定数组长度，它是C99标准定义的柔性数组—构造体中最初一个属性能够被定义为一个大小可变的数组（该属性前必须有其余属性）。应用sizeof函数计算蕴含柔性数组的构造体大小，返回后果不包含柔性数组占用的内存。
另外，__attribute__((__packed__))关键字能够勾销构造体内的字节对齐以节俭内存。

操作剖析

接下来看一下sds构建函数：

sds sdsnewlen(const void *init, size_t initlen) {    void *sh;    sds s;    // [1]    char type = sdsReqType(initlen);    // [2]    if (type == SDS_TYPE_5 && initlen == 0) type = SDS_TYPE_8;    // [3]    int hdrlen = sdsHdrSize(type);    unsigned char *fp; /* flags pointer. */    sh = s_malloc(hdrlen+initlen+1);    ...    // [4]    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;        }        ...    }    if (initlen && init)        memcpy(s, init, initlen);    s[initlen] = '\0';    // [5]    return s;}

参数阐明：

  • init、initlen：字符串内容、长度。

【1】依据字符串长度，判断对应的sdshdr类型。
【2】长度为0的字符串后续通常须要扩容，不应该应用sdshdr5，所以这里转换为sdshdr8。
【3】sdsHdrSize函数负责查问sdshdr构造体的长度，s_malloc函数负责申请内存空间，申请的内存空间长度为hdrlen+initlen+1，其中hdrlen为sdshdr构造体长度（不蕴含buf属性），initlen为字符串内容长度，最初一个字节用于寄存空字符“\0”。s_malloc与C语言的malloc函数的作用雷同，负责调配指定大小的内存空间。
【4】给sdshdr属性赋值。
SDS_HDR_VAR是一个宏，负责将sh指针转化为对应的sdshdr构造体指针。
【5】留神，sds实际上就是char*的别名，这里返回的s指针指向sdshdr.buf属性，即字符串内容。Redis通过该指针能够间接读/写字符串数据。

构建一个内容为“hello wolrd”的sds，其构造如图1-1所示。

sds的扩容机制是一个很重要的性能。

sds sdsMakeRoomFor(sds s, size_t addlen) {    void *sh, *newsh;    // [1]    size_t avail = sdsavail(s);    size_t len, newlen;    char type, oldtype = s[-1] & SDS_TYPE_MASK;    int hdrlen;    if (avail >= addlen) return s;    // [2]    len = sdslen(s);        sh = (char*)s-sdsHdrSize(oldtype);    newlen = (len+addlen);    // [3]    if (newlen < SDS_MAX_PREALLOC)        newlen *= 2;    else        newlen += SDS_MAX_PREALLOC;    // [4]        type = sdsReqType(newlen);    if (type == SDS_TYPE_5) type = SDS_TYPE_8;    // [5]    hdrlen = sdsHdrSize(type);    if (oldtype==type) {        newsh = s_realloc(sh, hdrlen+newlen+1);        if (newsh == NULL) return NULL;        s = (char*)newsh+hdrlen;    } else {        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);    }    // [6]    sdssetalloc(s, newlen);    return s;}

参数阐明：
addlen：要求扩容后可用长度（alloc-len）大于该参数。
【1】获取以后可用空间长度。如果以后可用空间长度满足要求，则间接返回。
【2】sdslen负责获取字符串长度，因为sds.len中记录了字符串长度，该操作复杂度为O(1)。这里len变量为原sds字符串长度，newlen变量为新sds长度。sh指向原sds的sdshdr构造体。
【3】预调配比参数要求多的内存空间，防止每次扩容都要进行内存拷贝操作。新sds长度如果小于SDS_MAX_PREALLOC（默认为1024×1024，单位为字节），则新sds长度主动扩容为2倍。否则，新sds长度主动减少SDS_MAX_PREALLOC。
【4】sdsReqType(newlen)负责计算新的sdshdr类型。留神，扩容后的类型不应用sdshdr5，该类型不反对扩容操作。
【5】如果扩容后sds还是同一类型，则应用s_realloc函数申请内存。否则，因为sds构造曾经变动，必须挪动整个sds，间接调配新的内存空间，并将原来的字符串内容复制到新的内存空间。s_realloc与C语言realloc函数的作用雷同，负责为给定指针重新分配给定大小的内存空间。它会尝试在给定指针原地址空间上重新分配，如原地址空间无奈满足要求，则调配新内存空间并复制内容。
【6】更新sdshdr.alloc属性。

对下面“hello wolrd”的sds调用sdsMakeRoomFor(sds,64)，则生成的sds如图1-2所示。

从图1-2中能够看到，应用len记录字符串长度后，字符串中能够寄存空字符。Redis字符串反对二进制平安，能够将用户的输出存储为没有任何特定格局意义的原始数据流，因而Redis字符串能够存储任何数据，比方图片数据流或序列化对象。C语言字符串将空字符作为字符串结尾的特定标记字符，它不是二进制平安的。
sds罕用函数如表1-2所示。

函数作用
sdsnew，sdsempty创立sds
sdsfree，sdsclear，sdsRemoveFreeSpace开释sds，清空sds中的字符串内容，移除sds残余的可用空间
sdslen获取sds字符串长度
sdsdup将给定字符串复制到sds中，笼罩原字符串
sdscat将给定字符串拼接到sds字符串内容后
sdscmp比照两个sds字符串是否雷同
sdsrange获取子字符串，不在指定范畴内的字符串将被革除

编码

字符串类型一共有3种编码：

  • OBJ_ENCODING_EMBSTR：长度小于或等于OBJ_ENCODING_EMBSTR_SIZE_LIMIT（44字节）的字符串。
    在该编码中，redisObject、sds构造寄存在一块间断内存块中，如图1-3所示。

OBJ_ENCODING_EMBSTR编码是Redis针对短字符串的优化，有如下长处：

(1)内存申请和开释都只须要调用一次内存操作函数。  (2)redisObject、sdshdr构造保留在一块间断的内存中，缩小了内存碎片。
  • OBJ_ENCODING_RAW：长度大于OBJ_ENCODING_EMBSTR_SIZE_LIMIT的字符串，在该编码中，redisObject、sds构造寄存在两个不间断的内存块中。
  • OBJ_ENCODING_INT：将数值型字符串转换为整型，能够大幅升高数据占用的内存空间，如字符串“123456789012”须要占用12字节，在Redis中，会将它转化为long long类型，只占用8字节。

咱们向Redis发送一个申请后，Redis会解析申请报文，并将命令、参数转化为redisObjec。
object.c/createStringObject函数负责实现该操作：

robj *createStringObject(const char *ptr, size_t len) {    if (len <= OBJ_ENCODING_EMBSTR_SIZE_LIMIT)        return createEmbeddedStringObject(ptr,len);    else        return createRawStringObject(ptr,len);}

能够看到，这里依据字符串长度，将encoding转化为OBJ_ENCODING_RAW或OBJ_ENCODING_EMBSTR的redisObject。

将参数转换为redisObject后，Redis再将redisObject存入数据库，例如：

> SET Introduction "Redis is an open source (BSD licensed), in-memory data structure store, used as a database, cache and message broker. "

Redis会将键“Introduction”、值“Redis...”转换为两个redisObject，再将redisObject存入数据库，后果如图1-4所示。

Redis中的键都是字符串类型，并应用OBJ_ENCODING_RAW、OBJ_ENCODING_ EMBSTR编码，而Redis还会尝试将字符串类型的值转换为OBJ_ENCODING_INT 编码。object.c/tryObjectEncoding函数实现该操作：

robj *tryObjectEncoding(robj *o) {    long value;    sds s = o->ptr;    size_t len;    ...    // [1]     if (o->refcount > 1) return o;    len = sdslen(s);    // [2]    if (len <= 20 && string2l(s,len,&value)) {        // [3]        if ((server.maxmemory == 0 ||            !(server.maxmemory_policy & MAXMEMORY_FLAG_NO_SHARED_INTEGERS)) &&            value >= 0 &&            value < OBJ_SHARED_INTEGERS)        {            decrRefCount(o);            incrRefCount(shared.integers[value]);            return shared.integers[value];        } else {            // [4]            if (o->encoding == OBJ_ENCODING_RAW) {                sdsfree(o->ptr);                o->encoding = OBJ_ENCODING_INT;                o->ptr = (void*) value;                return o;            } else if (o->encoding == OBJ_ENCODING_EMBSTR) {                // [5]                decrRefCount(o);                return createStringObjectFromLongLongForValue(value);            }        }    }    // [6]    if (len <= OBJ_ENCODING_EMBSTR_SIZE_LIMIT) {        robj *emb;        if (o->encoding == OBJ_ENCODING_EMBSTR) return o;        emb = createEmbeddedStringObject(s,sdslen(s));        decrRefCount(o);        return emb;    }    // [7]    trimStringObjectIfNeeded(o);    return o;}

【1】该数据对象被多处援用，不能再进行编码操作，否则会影响其余中央的失常运行。
【2】如果字符串长度小于或等于20，则调用string2l函数尝试将其转换为long long类型，如果胜利则返回1。
在C语言中，long long占用8字节，取值范畴是-9223372036854775808～9223372036854775807，因而最多能保留长度为19的字符串转换后的数值，加上正数的符号位，一共20位。
上面是字符串能够转换为OBJ_ENCODING_INT 编码的解决步骤。
【3】首先尝试应用shared.integers中的共享数据，防止反复创立雷同数据对象而节约内存。shared是Redis启动时创立的共享数据集，寄存了Redis中罕用的共享数据。shared.integers是一个整数数组，寄存了小数字0～9999，共享于各个应用场景。
留神：如果配置了server.maxmemory，并应用了不反对共享数据的淘汰算法（LRU、LFU），那么这里不能应用共享数据，因为这时每个数据中都必须存在一个redisObjec.lru属性，这些算法才能够失常工作。
【4】如果不能应用共享数据并且原编码格局为OBJ_ENCODING_RAW，则将redisObject.ptr原来的sds类型替换为字符串转换后的数值。
【5】如果不能应用共享数据并且原编码格局为OBJ_ENCODING_EMBSTR，因为redisObject、sds寄存在同一个内存块中，无奈间接替换redisObject.ptr，所以调用createString- ObjectFromLongLongForValue函数创立一个新的redisObject，编码为OBJ_ENCODING_INT，redisObject.ptr指向long long类型或long类型。
【6】到这里，阐明字符串不能转换为OBJ_ENCODING_INT 编码，尝试将其转换为OBJ_ENCODING_EMBSTR编码。
【7】到这里，阐明字符串只能应用OBJ_ENCODING_RAW编码，尝试开释sds中残余的可用空间。
字符串类型的实现代码在t_string.c中，读者能够查看源码理解更多实现细节。

提醒：server.c/redisCommandTable定义了每个Redis命令与对应的处理函数，读者能够从这里查找感兴趣的命令的处理函数。
struct redisCommand redisCommandTable[] = {    ...    {"get",getCommand,2,     "read-only fast @string",     0,NULL,1,1,1,0,0,0},    {"set",setCommand,-3,     "write use-memory @string",     0,NULL,1,1,1,0,0,0},     ...}

GET命令的处理函数为getCommand，SET命令的处理函数为setCommand，以此类推。

另外，咱们能够通过TYPE命令查看数据对象类型，通过OBJECT ENCODING命令查看编码：

> SET msg "hello world"OK> TYPE msgstring> OBJECT ENCODING  msg"embstr"> SET Introduction "Redis is an open source (BSD licensed), in-memory data structure store, used as a database, cache and message broker. "OK> TYPE Introductionstring> OBJECT ENCODING  info"raw"> SET page 1OK> TYPE pagestring> OBJECT ENCODING  page"int"

总结：

  • Redis中的所有键和值都是redisObject变量。
  • sds是Redis定义的字符串类型，反对二进制平安、扩容。
  • sds能够在常数工夫内获取字符串长度，并应用预分配内存机制缩小内存拷贝次数。
  • Redis对数据编码的次要目标是最大限度地节俭内存。字符串类型能够应用OBJ_ENCODING_ RAW、OBJ_ENCODING_EMBSTR、OBJ_ENCODING_INT编码格局。
本文内容摘自作者新书《Redis外围原理与实际》，这本书深刻地剖析了Redis罕用个性的外部机制与实现形式，大部分内容源自对Redis源码的剖析，并从中总结出设计思路、实现原理。通过浏览本书，读者能够疾速、轻松地理解Redis的外部运行机制。
通过该书编辑批准，我会持续在集体技术公众号（binecy）公布书中局部章节内容，作为书的预览内容，欢送大家查阅，谢谢。

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