Redis进阶：图文讲解Redis底层数据结构之embstr,raw,ziplist,quicklist和hashtable （带源码讲解）

1 缘起

最近在补充Redis相关知识，
看到Redis数据库存储的数据对象结构，
发现Redis存储的数据实际类型是通过编码(encoding)标识的，
开发者看到的诸如string、hash、string、set和zset只是显式类型（方便记忆和使用），并不是实际存储类型，
每种显式类型都有对应的隐式实际类型，如embstr、raw、hashtable、ziplist、quicklist和skiplist，
Redis存储的数据是由redisObject结构体构成的，存储数据相关信息，
充分说明，自己动手，丰衣足食，当某种语言不提供需要的数据结构时，可以按需创造。
分享如下，帮助读者进一步了解Redis数据结构。

注意：

Redis版本：6.0.6

2 五种基础数据类型

开发者常用的5种基础数据类型如下图所示，
为了方便记忆和使用，显示供给客户端用户使用。

3 redisObject结构体

Redis存储数据不是简单粗暴地直接使用C语言原始基础数据类型，
而是根据自身设计理念自定义存储对象（结构体），
Redis对象源码如下，由源码可知，Redis中的数据由5部分构成，分别为当前数据显式类型（type）、实际编码（encoding）、访问时间（lru，秒）、引用计数（refcount）和指向的实际数据（ptr），共计16字节。
位置：src/server.h

typedef struct redisObject {
    unsigned type:4; // 4位=0.5字节
    unsigned encoding:4; // 4位=0.5字节
    unsigned lru:LRU_BITS; // 24位=3字节
    int refcount; // 32位=4字节
    void *ptr; // 64位=8字节
} robj;
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一个robj为16bytes（0.5byte+0.5+3bytes+4bytes+8bytes）

lru是24位，2^24-1=16,777,215
时间（/秒）：194天=1942460*60=16,761,600
LRU最大194天一个轮回。

3.1 type

type即显式类型。

3.2 encoding

encoding即数据最终的存储类型，隐式类型。
每种显式类型，会根据不同的阈值在不同的隐式类型中切换。

3.3 type与encoding对应关系

5种基础数据类型对应实际编码如下图所示。

3.4 数据转换条件

数据使用不同类型存储是有限制条件的，
不同条件下，使用不同的存储格式，
数据格式及对应条件如下表所示。

4 encoding类型

4.1 embstr

存储string类型。分配连续内存，性能较好，结构如下图所示。

4.1.1 sdshdr8源码

位置：src/sds.h
存储字符串数据是使用sdshdr8结构体，具体的数据存储在buf[]。
其中，len占1byte，alloc占1byte，flags占1byte，共3bytes。

struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr8 {
    uint8_t len; /* used：1byte */
    uint8_t alloc; /* excluding the header and null terminator，1byte */
    unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits，1byte */
    char buf[];
};
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4.1.2 embstr转raw

当buf[]存储的数据超过44bytes后，转为raw，

• 计算方式：

44bytes=64bytes(jemalloc)-16bytes(robj)-3bytes(sdshdr8)-1('\0')
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其中，jmealloc内存分配的空间为2/4/8/16/32/64bytes，按照64字节计算，留给buf[]的最大空间为44bytes。
由上文知：robj为16bytes，
源码知：sdshdr8固定内存为3bytes，其余留给buf[]，
字符串最后一位：‘\0’，1byte。
留给buf[] 44(bytes)=64-16-3-1

• 源码
  由源码知，字符串对象小于等于44字节，创建embstr字符串对象，否则，创建raw字符串对象。

#define OBJ_ENCODING_EMBSTR_SIZE_LIMIT 44
robj *createStringObject(const char *ptr, size_t len) {
    if (len <= OBJ_ENCODING_EMBSTR_SIZE_LIMIT)
        return createEmbeddedStringObject(ptr,len);
    else
        return createRawStringObject(ptr,len);
}
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4.1.3 创建embstr字符串对象源码

位置：src/object.c
由源码知，创建embstr字符串对象只分配一次空间，且是连续的。

robj *createEmbeddedStringObject(const char *ptr, size_t len) {
    robj *o = zmalloc(sizeof(robj)+sizeof(struct sdshdr8)+len+1);
    struct sdshdr8 *sh = (void*)(o+1);

    o->type = OBJ_STRING;
    o->encoding = OBJ_ENCODING_EMBSTR;
    o->ptr = sh+1;
    o->refcount = 1;
    if (server.maxmemory_policy & MAXMEMORY_FLAG_LFU) {
        o->lru = (LFUGetTimeInMinutes()<<8) | LFU_INIT_VAL;
    } else {
        o->lru = LRU_CLOCK();
    }

    sh->len = len;
    sh->alloc = len;
    sh->flags = SDS_TYPE_8;
    if (ptr == SDS_NOINIT)
        sh->buf[len] = '\0';
    else if (ptr) {
        memcpy(sh->buf,ptr,len);
        sh->buf[len] = '\0';
    } else {
        memset(sh->buf,0,len+1);
    }
    return o;
}
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4.2 raw

string类型。分配两次内存，一次分配robj，一次分配sdshdr8，内存不一定连续，性能低于embstr，但是，按照设计可存储更多的数据。
raw字符串对象结构如下图所示：

4.2.1 创建raw字符串对象源码

由源码可知，创建raw字符串对象调用sdsnewlen，这里会分配sds，所以，是两次内存分配：robj和sdshdr8。
位置：src/object.c

robj *createRawStringObject(const char *ptr, size_t len) {
    return createObject(OBJ_STRING, sdsnewlen(ptr,len));
}
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4.2.2 createObject源码

创建robj对象，第一次分配内存空间，源码如下。
位置：src/object.c

robj *createObject(int type, void *ptr) {
    robj *o = zmalloc(sizeof(*o));
    o->type = type;
    o->encoding = OBJ_ENCODING_RAW;
    o->ptr = ptr;
    o->refcount = 1;

    /* Set the LRU to the current lruclock (minutes resolution), or
     * alternatively the LFU counter. */
    if (server.maxmemory_policy & MAXMEMORY_FLAG_LFU) {
        o->lru = (LFUGetTimeInMinutes()<<8) | LFU_INIT_VAL;
    } else {
        o->lru = LRU_CLOCK();
    }
    return o;
}
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4.2.3 分配sdshdr8内存源码

由源码可知，通过s_malloc(hdrlen+initlen+1)分配sds内存空间，第二次分配内存空间。
位置：src/sds.c

sds sdsnewlen(const void *init, size_t initlen) {
    void *sh;
    sds s;
    char type = sdsReqType(initlen);
    /* Empty strings are usually created in order to append. Use type 8
     * since type 5 is not good at this. */
    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);
    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;
}
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4.3 ziplist

ziplist是压缩列表。
可用于存储list（3.2版本之前）、hash和zset类型数据（元素在配置范围内）。
可以有序，也可无序。
存储list（3.2版本之前）和hash类型数据是无序的。
存储zset数据是有序的，元素和score分成两个节点存储，元素在前，score在后。

4.3.1 为什么使用ziplist

（1）节省空间：相对于数组为每个元素分配相同的空间而言，ziplist可以按实际大小分配（entry节点存储）；
（2）随机访问效率高；

4.3.2 结构

ziplist结构如下图所示。

4.3.3 ziplist结构源码

ziplist上面的结构依据源码ziplist.c注释。
位置：src/ziplist.c

 * ZIPLIST OVERALL LAYOUT
 * ======================
 *
 * The general layout of the ziplist is as follows:
 *
 * <zlbytes> <zltail> <zllen> <entry> <entry> ... <entry> <zlend>
* EXAMPLES OF ACTUAL ZIPLISTS
 * ===========================
 *
 * The following is a ziplist containing the two elements representing
 * the strings "2" and "5". It is composed of 15 bytes, that we visually
 * split into sections:
 *
 *  [0f 00 00 00] [0c 00 00 00] [02 00] [00 f3] [02 f6] [ff]
 *            |                     |                 |            |            |       |
 *     zlbytes             zltail         entries    "2"        "5"   end
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4.3.4 ziplist存储元素entry

ziplist中存储数据的结构为zlentry，源码如下，
由源码可知，entry存储空间不是固定的，
可根据存储的数据尺寸动态分配，
在一定程度上节约了内存空间。
位置：src/ziplist.c

typedef struct zlentry {
    unsigned int prevrawlensize; /* 记录前一个节点内存(字节)，<254字节，prerawlen为1字节，>254字节，prerawlen为5字节，会出现级联更新.*/
    unsigned int prevrawlen;     /* 前一个节点长度 */
    unsigned int lensize;        /* 记录当前节点类型/长度内存(字节)，如string有1,2或5个字节，int只有1字节.*/
    unsigned int len;            /* 记录当前节点实际内存(字节). */
    unsigned int headersize;     /* prevrawlensize + lensize. */
    unsigned char encoding;      /* 元素类型编码. */
    unsigned char *p;            /* 指向具体数据首地址的指针. */
} zlentry;
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4.4 quicklist

quicklist是双向链表（linkedlist）和压缩列表（ziplist）组合的列表。
3.2版本之后list使用quicklist存储数据。

4.4.1 为什么使用quicklist

（1）双向链表（linkedlist）实现高效的插入和删除；
（2）压缩列表（ziplist）内存连续，减少内存碎片，访问效率高；

4.4.2 结构

quicklist结构如下图所示。
这里说明：第一个节点的prev指向NULL（C语言中为不被引用的空间0），
quicklist的head指向第一个节点，tail指向最后一个节点，其余节点是双向连接的链表，
每个节点通过zl指向ziplist存储实际的数据。

4.4.3 quicklist源码

quicklist结构依据quicklist.h源码，
由源码可知，quicklist通过head和tail定位头结点和尾节点，
通过count记录当前list指向的ziplist数量。
len记录所有节点数。
位置：src/quiclist.h

typedef struct quicklist {
    quicklistNode *head;
    quicklistNode *tail;
    unsigned long count;        /* total count of all entries in all ziplists */
    unsigned long len;          /* number of quicklistNodes */
    int fill : QL_FILL_BITS;              /* fill factor for individual nodes */
    unsigned int compress : QL_COMP_BITS; /* depth of end nodes not to compress;0=off */
    unsigned int bookmark_count: QL_BM_BITS;
    quicklistBookmark bookmarks[];
} quicklist;
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4.4.4 quicllistNode源码

ziplist中节点结构源码如下，
由源码可知，quicklist的节点是双向链表，
有prev和next指针，
通过zl指针指向具体的数据存储单元ziplist。
位置：src/quicklist.h

typedef struct quicklistNode {
    struct quicklistNode *prev;
    struct quicklistNode *next;
    unsigned char *zl;
    unsigned int sz;             /* ziplist size in bytes */
    unsigned int count : 16;     /* count of items in ziplist */
    unsigned int encoding : 2;   /* RAW==1 or LZF==2 */
    unsigned int container : 2;  /* NONE==1 or ZIPLIST==2 */
    unsigned int recompress : 1; /* was this node previous compressed? */
    unsigned int attempted_compress : 1; /* node can't compress; too small */
    unsigned int extra : 10; /* more bits to steal for future usage */
} quicklistNode;
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4.5 hashtable

数组+链表组合。
存储key和value，
第一维：数组；
第二维：链表。

4.5.1 为什么使用

（1）渐进式rehash：保证操作效率；
（2）随机访问、插入和删除效率较高；
（3）对比string相对节约内存；

4.5.2 结构

hashtable结构如下图所示，
由图可知，hashtable通过dict实现，
并且，每个dict中有两个hashtable结构，用于rehash，同时保证操作性能。

4.5.3 dict源码

hashtable通过dict实现，dict结构源码如下。
由源码可知，dict中通过数组（dictht）存储hashtable，且有两个hashtable元素，
rehashidx作为rehash标识，-1不进行rehash，0：开始rehash，结束后+1。
位置：src/dict.h

typedef struct dict {
    dictType *type;
    void *privdata;
    dictht ht[2];
    long rehashidx; /* rehashing not in progress if rehashidx == -1 */
    unsigned long iterators; /* number of iterators currently running */
} dict;
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4.5.4 dictht源码

dictht存储hashtable数据，
其中，dictEntry是两层结构，第一层为数组，第二层为链表，
当hash(key)出现冲突时，将数据挂在链表上，
但是，数据变更时（避免链表化或者节约内存空间或者扩容），需要对hashtable进行扩缩容，由于Redis是单线程模型，
扩缩容涉及rehash，hashtable采用渐进式rehash，这也是为什么采用数组存储hashtable的原因，
数组中两个hashtable进行rehash轮换，查询时两个hashtable都会进行搜索。
rehash期间，每次对hashtable增删改时，操作h[0]外，同时将h[0]的键值对rehash到h[1]。
位置：src/dict.h

typedef struct dictht {
    dictEntry **table;
    unsigned long size; // hashtable尺寸
    unsigned long sizemask;
    unsigned long used; // 已有节点数量
} dictht;
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4.5.5 dictEntry源码

hashtable实际的数据存储在dictEntry，源码如下。
位置：src/dict.h

typedef struct dictEntry {
    void *key;
    union {
        void *val;
        uint64_t u64;
        int64_t s64;
        double d;
    } v;
    struct dictEntry *next;
} dictEntry;
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4.5.6 缩容

hashtable尺寸大于初始尺寸并且使用率低于10%进行缩容。

• 缩容入口
  由注释可知：当hashtable使用率为10%调整hashtable尺寸，以节约内存。
  位置：src/server.c

/* If the percentage of used slots in the HT reaches HASHTABLE_MIN_FILL
 * we resize the hash table to save memory */
void tryResizeHashTables(int dbid) {
    if (htNeedsResize(server.db[dbid].dict))
        dictResize(server.db[dbid].dict);
    if (htNeedsResize(server.db[dbid].expires))
        dictResize(server.db[dbid].expires);
}
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• 判断hashtable是否要调整尺寸源码
  由源码可知，hashtable尺寸大于初始尺寸并且使用率低于10%进行缩容。
  位置：src/server.c

int htNeedsResize(dict *dict) {
    long long size, used;

    size = dictSlots(dict);
    used = dictSize(dict);
    return (size > DICT_HT_INITIAL_SIZE &&
            (used*100/size < HASHTABLE_MIN_FILL));
}
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• 初始值配置源码
  位置：src/dict.h

/* This is the initial size of every hash table */
#define DICT_HT_INITIAL_SIZE     4
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• hashtable填充率源码
  位置：src/server.h

/* Hash table parameters */
#define HASHTABLE_MIN_FILL        10      /* Minimal hash table fill 10% */
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• 缩容次级入口源码
  位置：dict.c

/* Resize the table to the minimal size that contains all the elements,
 * but with the invariant of a USED/BUCKETS ratio near to <= 1 */
int dictResize(dict *d)
{
    unsigned long minimal;

    if (!dict_can_resize || dictIsRehashing(d)) return DICT_ERR;
    minimal = d->ht[0].used;
    if (minimal < DICT_HT_INITIAL_SIZE)
        minimal = DICT_HT_INITIAL_SIZE;
    return dictExpand(d, minimal);
}
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4.5.7 扩容

hashtable是否扩容依据配置的阈值判断，
使用空间大于等于总空间且比率(使用空间大于/总空间)大于等于5时扩容。

• 扩展阈值定义源码
  位置：src/dict.c

/* Using dictEnableResize() / dictDisableResize() we make possible to
 * enable/disable resizing of the hash table as needed. This is very important
 * for Redis, as we use copy-on-write and don't want to move too much memory
 * around when there is a child performing saving operations.
 *
 * Note that even when dict_can_resize is set to 0, not all resizes are
 * prevented: a hash table is still allowed to grow if the ratio between
 * the number of elements and the buckets > dict_force_resize_ratio. */
static int dict_can_resize = 1;
static unsigned int dict_force_resize_ratio = 5;
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• 判断扩容私有方法_dictExpandIfNeeded源码
  由源码可知，使用空间大于等于总空间且比率(使用空间大于/总空间)大于等于5时扩容。
  位置：src/dict.c

/* Expand the hash table if needed */
static int _dictExpandIfNeeded(dict *d)
{
    /* Incremental rehashing already in progress. Return. */
    if (dictIsRehashing(d)) return DICT_OK;

    /* If the hash table is empty expand it to the initial size. */
    if (d->ht[0].size == 0) return dictExpand(d, DICT_HT_INITIAL_SIZE);

    /* If we reached the 1:1 ratio, and we are allowed to resize the hash
     * table (global setting) or we should avoid it but the ratio between
     * elements/buckets is over the "safe" threshold, we resize doubling
     * the number of buckets. */
    if (d->ht[0].used >= d->ht[0].size &&
        (dict_can_resize ||
         d->ht[0].used/d->ht[0].size > dict_force_resize_ratio))
    {
        return dictExpand(d, d->ht[0].used*2);
    }
    return DICT_OK;
}
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• 扩容源码
  位置：src/dict.c

/* Expand or create the hash table */
int dictExpand(dict *d, unsigned long size)
{
    /* the size is invalid if it is smaller than the number of
     * elements already inside the hash table */
    if (dictIsRehashing(d) || d->ht[0].used > size)
        return DICT_ERR;

    dictht n; /* the new hash table */
    unsigned long realsize = _dictNextPower(size);

    /* Rehashing to the same table size is not useful. */
    if (realsize == d->ht[0].size) return DICT_ERR;

    /* Allocate the new hash table and initialize all pointers to NULL */
    n.size = realsize;
    n.sizemask = realsize-1;
    n.table = zcalloc(realsize*sizeof(dictEntry*));
    n.used = 0;

    /* Is this the first initialization? If so it's not really a rehashing
     * we just set the first hash table so that it can accept keys. */
    if (d->ht[0].table == NULL) {
        d->ht[0] = n;
        return DICT_OK;
    }

    /* Prepare a second hash table for incremental rehashing */
    d->ht[1] = n;
    d->rehashidx = 0;
    return DICT_OK;
}
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5 小结

（1）基础数据类型是显式类型，不同的值属性会映射不同的Redis对象；
（2）embstr和raw存储字符串，embstr分配一次内存，raw分配两次内存，性能比raw好；
（3）ziplist压缩列表节省内存空间，但是会有级联更新的问题；
（4）quicklist组合双向链表和压缩列表，高效插入、删除，连续的存储空间，访问效率高；
（5）hashtable渐进式rehash，效率较一次rehash高，并且hashFunction(key)较string节约内存空间;
（6）hashtable缩容：尺寸大于初始尺寸（源码中配置为4）使用率小于10%，扩容：使用量大于总量且比率（使用量/总量）大于5。

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【参考文献】
[1]https://github.com/redis/redis/tree/6.0/src
[2]Redis数据结构底层编码转换
[3]Redis底层数据结构之dict、ziplist、quicklist详解
[4]Redis 学习笔记（篇五）：对象（RedisObject）
[5]redisObject详解
[6]Redis 内存耗尽的淘汰策略 LRU与LFU算法