Redis 数据结构 ziplist

概述

在 Redis 中，list 有两种存储方式：双链表（LinkedList）和压缩双链表（ziplist）。双链表即普通数据结构中遇到的，在 adlist.h 和 adlist.c 中实现。压缩双链表以连续的内存空间来表示双链表，压缩双链表节省前驱和后驱指针的空间（8b），这在小的list 上，压缩效率是非常明显的，因为一个普通的双链表中，前驱后驱指针在 64 位机器上需分别占用 8B；压缩双链表在 ziplist.h 和 ziplist.c 中实现。这篇主要详述压缩双链表，普通双链表可以参看其他。

压缩双链表的具体实现

在压缩双链表中，节省了前驱和后驱指针的空间，在 64 位机器上共节省了 8 个字节，这让数据在内存中更为紧凑。只要清晰的描述每个数据项的边界，就可以轻易得到前驱后驱数据项的位置，ziplist 就是这么做的。

ziplist 的格式可以表示为：

<zlbytes><zltail><zllen><entry>...<entry><zlend>

zlbytes 是 ziplist 占用的空间；zltail 是最后一个数据项的偏移位置，这方便逆向遍历链表，也是双链表的特性；zllen 是数据项entry 的个数；zlend 就是 255，占 1B。

下面详细展开 entry 的结构。entry 的格式即为典型的 type-lenght-value，即 TLV，表述如下：

|<prelen><<encoding+lensize><len>><data>|
|---1----------------2--------------3---|

域 1）是前驱数据项的大小。因为不用描述前驱的数据类型，描述较为简单。

域 2）是此数据项的的类型和数据大小。为了节省空间，redis 预设定了多种长度的字符串和整数。

3 种长度的字符串：

#define ZIP_STR_06B (0 << 6)
#define ZIP_STR_14B (1 << 6)
#define ZIP_STR_32B (2 << 6)

5 种长度的整数：

#define ZIP_INT_16B (0xc0 | 0<<4)
#define ZIP_INT_32B (0xc0 | 1<<4)
#define ZIP_INT_64B (0xc0 | 2<<4)
#define ZIP_INT_24B (0xc0 | 3<<4)
#define ZIP_INT_8B 0xfe

域3）为真正的数据。透过 ziplist 查找函数 ziplistFind()，来熟悉 ziplist entry 的数据格式：

// 在ziplist 中查找数据项
/* Find pointer to the entry equal to the specified entry. Skip 'skip' entries
* between every comparison. Returns NULL when the field could not be found. */
unsigned char *ziplistFind(unsigned char *p, unsigned char *vstr,
       unsigned int vlen, unsigned int skip) {
    int skipcnt = 0;
    unsigned char vencoding = 0;
    long long vll = 0;

while (p[0] != ZIP_END) {
    unsigned int prevlensize, encoding, lensize, len;
    unsigned char *q;
    ZIP_DECODE_PREVLENSIZE(p, prevlensize);

    // 跳过前驱数据项大小，解析数据项大小
    // len 为data 大小
    // lensize 为len 所占内存大小
    ZIP_DECODE_LENGTH(p + prevlensize, encoding, lensize, len);
    // q 指向data
    q = p + prevlensize + lensize;
    if (skipcnt == 0) {
        /* Compare current entry with specified entry */
    if (ZIP_IS_STR(encoding)) {
        // 字符串比较
        if (len == vlen && memcmp(q, vstr, vlen) == 0) {
            return p;
            }
        } else {
        // 整数比较
        /* Find out if the searched field can be encoded. Note that
            * we do it only the first time, once done vencoding is set
            * to non-zero and vll is set to the integer value. */
            if (vencoding == 0) {
            // 尝试将vstr 解析为整数
                if (!zipTryEncoding(vstr, vlen, &vll, &vencoding)) {
                    /* If the entry can't be encoded we set it to
                    * UCHAR_MAX so that we don't retry again the next
                    * time. */
                    // 不能编码为数字！！！会导致当前查找的数据项被跳过
                vencoding = UCHAR_MAX;
            }
            /* Must be non-zero by now */
            assert(vencoding);
        }
        /* Compare current entry with specified entry, do it only
        * if vencoding != UCHAR_MAX because if there is no encoding
        * possible for the field it can't be a valid integer. */
        if (vencoding != UCHAR_MAX) {
        // 读取整数
            long long ll = zipLoadInteger(q, encoding);
        if (ll == vll) {
            return p;
            }
        }
    }
        /* Reset skip count */
        skipcnt = skip;
    } else {
        /* Skip entry */
        skipcnt--;
        }
        // 移动到ziplist 的下一个数据项
        /* Move to next entry */
        p = q + len;
    }
  // 没有找到
  return NULL;
}

注意，ziplist 每次插入新的数据都要 realloc。

为什么要用 ziplist

redis HSET 命令官网的描述是： Sets field in the hash stored at key to value. If key does not exist, a new key holding a hash is created. If field already exists in the hash, it is overwritten.

实际上，HSET 底层所使用的数据结构正是上面所说的 ziplist，而不是平时所说的 hashtable. 那为什么要使用ziplist，反对的理由是查找来说，（ziplist O(N)）VS（hashtable O(1)）？ redis 可是为内存节省想破了头。首先 ziplist 比 hashtable 更节省内存，再者，redis 考虑到如果数据紧凑的 ziplist 能够放入 CPU 缓存（hashtable 很难，因为它是非线性的），那么查找算法甚至会比 hashtable 要快！。ziplist 由此有性能和内存空间的优势。