Redis为何这么快——数据存储角度

本文内容思维导图如下：

一、简介和应用

Redis是一个由ANSI C语言编写，性能优秀、支持网络、可持久化的K-K内存数据库，并提供多种语言的API。它常用的类型主要是 String、List、Hash、Set、ZSet 这5种

Redis在互联网公司一般有以下应用:

•  String：缓存、限流、计数器、分布式锁、分布式Session
•  Hash：存储用户信息、用户主页访问量、组合查询
•  List：微博关注人时间轴列表、简单队列
•  Set：赞、踩、标签、好友关系
•  Zset：排行榜

再比如电商在大促销时，会用一些特殊的设计来保证系统稳定，扣减库存可以考虑如下设计：

上图中，直接在Redis中扣减库存，记录日志后通过Worker同步到数据库，在设计同步Worker时需要考虑并发处理和重复处理的问题。

通过上面的应用场景可以看出Redis是非常高效和稳定的，那Redis底层是如何实现的呢？

二、Redis的对象redisObject

当我们执行set hello world命令时，会有以下数据模型：

•  dictEntry：Redis给每个key-value键值对分配一个dictEntry，里面有着key和val的指针，next指向下一个dictEntry形成链表，这个指针可以将多个哈希值相同的键值对链接在一起，由此来解决哈希冲突问题(链地址法)。
•  sds：键key“hello”是以SDS（简单动态字符串）存储，后面详细介绍。
•  redisObject：值val“world”存储在redisObject中。实际上，redis常用5中类型都是以redisObject来存储的；而redisObject中的type字段指明了Value对象的类型，ptr字段则指向对象所在的地址。

redisObject对象非常重要，Redis对象的类型、内部编码、内存回收、共享对象等功能，都需要redisObject支持。这样设计的好处是，可以针对不同的使用场景，对5中常用类型设置多种不同的数据结构实现，从而优化对象在不同场景下的使用效率。

无论是dictEntry对象，还是redisObject、SDS对象，都需要内存分配器（如jemalloc）分配内存进行存储。jemalloc作为Redis的默认内存分配器，在减小内存碎片方面做的相对比较好。比如jemalloc在64位系统中，将内存空间划分为小、大、巨大三个范围；每个范围内又划分了许多小的内存块单位；当Redis存储数据时，会选择大小最合适的内存块进行存储。

前面说过，Redis每个对象由一个redisObject结构表示，它的ptr指针指向底层实现的数据结构，而数据结构由encoding属性决定。比如我们执行以下命令得到存储“hello”对应的编码：

redis所有的数据结构类型如下（重要，后面会用）：

三、String

字符串对象的底层实现可以是int、raw、embstr（上面的表对应有名称介绍）。embstr编码是通过调用一次内存分配函数来分配一块连续的空间，而raw需要调用两次。

int编码字符串对象和embstr编码字符串对象在一定条件下会转化为raw编码字符串对象。embstr：<=39字节的字符串。int：8个字节的长整型。raw：大于39个字节的字符串。

简单动态字符串（SDS），这种结构更像C++的String或者Java的ArrayList<Character>，长度动态可变：

struct sdshdr {  
 // buf 中已占用空间的长度  
 int len;  
 // buf 中剩余可用空间的长度  
 int free;  
 // 数据空间  
 char buf[]; // ’’空字符结尾  
}; 

•  get：sdsrange---O(n)
•  set：sdscpy—O(n)
•  create：sdsnew---O(1)
•  len：sdslen---O(1)

常数复杂度获取字符串长度：因为SDS在len属性中记录了长度，所以获取一个SDS长度时间复杂度仅为O(1)。

预空间分配：如果对一个SDS进行修改，分为一下两种情况：

•  SDS长度（len的值）小于1MB，那么程序将分配和len属性同样大小的未使用空间，这时free和len属性值相同。举个例子，SDS的len将变成15字节，则程序也会分配15字节的未使用空间，SDS的buf数组的实际长度变成15+15+1=31字节（额外一个字节用户保存空字符）。
•  SDS长度（len的值）大于等于1MB，程序会分配1MB的未使用空间。比如进行修改之后，SDS的len变成30MB，那么它的实际长度是30MB+1MB+1byte。

（编辑：云计算网_泰州站长网）

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