《闲扯Redis二》String数据类型之底层解析

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一、前言

Redis 提供了5种数据类型：String（字符串）、Hash（哈希）、List（列表）、Set（集合）、Zset（有序集合），理解每种数据类型的特点对于redis的开发和运维非常重要。

二、疑问与解析

 结构图上显示，String类型有三种实现方式：

• 使用整数值实现的字符串对象
• 使用 embstr 编码的动态字符串实现的字符串对象
• 动态字符串实现的字符串对象

 疑问：embstr 是什么意思，动态字符串又是什么意思？字符串对象到底什么结构？三种实现方式有什么区别呢？</p>

不急，咱们一步一步的往下看：

1、Redis中定义的对象的结构体

/*
 * Redis 对象
 */
typedef struct redisObject {
    // 类型 4bits
    unsigned type:4;
    // 编码方式 4bits
    unsigned encoding:4;
    // LRU 时间（相对于 server.lruclock） 24bits
    unsigned lru:22;
    // 引用计数 Redis里面的数据可以通过引用计数进行共享 32bits
    int refcount;
    // 指向对象的值 64-bit
    void *ptr;
} robj;// 16bytes

注释：type表示该对象的类型，即上面 [String,List,Hash,Set,Zset] 中的一个，但为了提高存储效率与程序执行效率，每种对象的底层数据结构实现都可能不止一种，encoding 表示对象底层所使用的编码。

2、Redis对象底层八种数据结构

 REDIS_ENCODING_INT（long 类型的整数）
 REDIS_ENCODING_EMBSTR embstr （编码的简单动态字符串）
 REDIS_ENCODING_RAW （简单动态字符串）
 REDIS_ENCODING_HT （字典）
 REDIS_ENCODING_LINKEDLIST （双端链表）
 REDIS_ENCODING_ZIPLIST （压缩列表）
 REDIS_ENCODING_INTSET （整数集合）
 REDIS_ENCODING_SKIPLIST （跳跃表和字典）

3、embstr与动态字符串

embstr ：是专门用于保存短字符串的一种优化编码方式，跟正常的字符编码相比，字符编码会调用两次内存分配函数来分别创建 redisObject 和 sdshdr 结构（动态字符串结构），而 embstr 编码则通过调用一次内存分配函数来分配一块连续的内存空间，空间中包含 redisObject 和 sdshdr（动态字符串）两个结构，两者在同一个内存块中。从 Redis 3.0 版本开始，字符串引入了 embstr 编码方式，长度小于 OBJ_ENCODING_EMBSTR_SIZE_LIMIT(39) 的字符串将以EMBSTR方式存储。

注意： 在Redis 3.2 之后，就不是以 39 为分界线，而是以 44 为分界线，主要与 Redis 中内存分配使用的是 jemalloc 有关。（ jemalloc 分配内存的时候是按照 8、16、32、64 作为 chunk 的单位进行分配的。为了保证采用这种编码方式的字符串能被 jemalloc 分配在同一个 chunk 中，该字符串长度不能超过64，故字符串长度限制

OBJ_ENCODING_EMBSTR_SIZE_LIMIT = 64 - sizeof('0')为1 - sizeof(robj) 为16 - sizeof(struct sdshdr)为8 = 39）

动态字符串 ：Redis 自己构建的一种名为 简单动态字符串（simple dynamic string，SDS）的抽象类型，并将 SDS 作为 Redis 的默认字符串表示。先简单了解概念，后面看详细解析

4、带着疑问来细品下面一段话

字符串的编码可以是 int，raw 或者 embstr。如果一个字符串内容可转为 long，那么该字符串会被转化为 long 类型，对象 ptr 指向该 long，并且对象类型也用 int 类型表示。普通的字符串有两种 embstr 和 raw。如果字符串对象的长度小于 39 字节，就用 embstr，否则用 raw。

也就是说，Redis 会根据当前值的类型和长度决定使用内部编码实现：恍然大悟

int：8个字节的长整型
embstr：小于等于39个字节的字符串
raw：大于39个字节的字符串

5、实践验证

命令：object encoding key ，获取数据底层的数据结构

1）整数类型示例如下：

2）短字符串示例如下：

3）长字符串示例如下：

 疑问：至此，我们知道了embstr、字符串对象， 但是动态字符串的结构还是没说清楚啊,你是不是在逗我？
靓仔疑问，再一次出现，别急，继续往下看

三、动态字符串

众所周知，Redis 是用 C 语言写的，但是对于 Redis 的字符串，却不是 C 语言中的字符串（即以空字符 ’0’ 结尾的字符数组），它是自己构建了一种名为 简单动态字符串（simple dynamic string，SDS）的抽象类型，并将 SDS 作为 Redis 的默认字符串表示。

1、动态字符串结构分析

SDS 定义：

struct sdshdr{
     //记录buf数组中已使用字节的数量
     //等于 SDS 保存字符串的长度 4byte
     int len;
     //记录 buf 数组中未使用字节的数量 4byte
     int free;
     //字节数组，用于保存字符串 字节\0结尾的字符串占用了1byte
     char buf[];
}

用 SDS 保存字符串 “Redis” 具体结构如下图
对于 SDS 数据类型的定义：

• len 保存了SDS保存字符串的长度
• buf[] 数组用来保存字符串的每个元素
• free 记录了 buf 数组中未使用的字节数量

上面的定义相对于 C 语言对于字符串的定义，多出了 len 属性以及 free 属性。为什么不直接使用 C 语言字符串实现，而是要使用 SDS 呢？有什么特别的优势呢？

2、SDS结构与C语言字符串结构比较分析

1）获取字符串长度复杂度

 sdshdr 中由于 len 属性的存在，获取 SDS 字符串的长度只需要读取 len 属性，时间复杂度为 O(1)，而对于 C 语言来说，获取字符串的长度通常是遍历字符串计数来实现的，时间复杂度为 O(n)。

2）API安全性与缓冲区溢出

  缓冲区溢出（buffer overflow）：是这样的一种异常，当程序将数据写入缓冲区时，会超过缓冲区的边界，并覆盖相邻的内存位置。在 C 语言中使用 strcat 函数来进行两个字符串的拼接，一旦没有分配足够长度的内存空间，就会造成缓冲区溢出，如

s1 = 'Redis'，s2 = 'MongoDB'，当执行strcat(s1, " Cluster")时，未给 s1 分配足够内存空间，s1 的数据将溢出到 s2 所在的内存空间，导致 s2 保存的内容被意外地修改。

由于 SDS 记录了自身长度，同时在修改时，API 会按照如下步骤进行：

   （1）先检查SDS的空间是否满足修改所需的要求；

   （2）如果不满足要求的话，API 会自动将 SDS 的空间扩展至执行修改所需的大小（realloc）；

   （3）然后才执行实际的修改操作；

    所以SDS不会造成缓冲区溢出情况

3）字符串的内存重分配次数

 C 语言由于不记录字符串的长度，所以如果要修改字符串，必须要重新分配内存。
 SDS 实现了空间预分配和惰性释放两种策略：

 （1）空间预分配：当 SDS 的 API 对一个 SDS 进行修改，并且需要对 SDS 进行空间扩展的时候，程序不仅会为 SDS 分配修改所必须的空间，还会为 SDS 分配额外的未使用空间，这样可以减少连续执行字符串增长操作所需的内存重分配次数。
 （2）惰性释放：当 SDS 的 API 需要对 SDS 保存的字符串进行缩短时，程序并不立即使用内存重分配来回收缩短后多出来的字节，而是使用 free 属性将这些字节的数量记录起来，并等待将来使用，如![](https://img2020.cnblogs.com/blog/675297/202003/675297-20200328110346123-720902804.png)

sdstrim(s, "XY"); // 移除 SDS 字符串中的所有 'X' 和 'Y' 

结果

4）二进制数据安全

 二进制安全（binary-safe）：指能处理任意的二进制数据，包括非 ASCII 和 null 字节。
 C 字符串以空字符 '0'，作为字符串结束的标识，而对于一些二进制文件（如图片等），内容可能包括空字符串'0'，导致程序读入的空字符会被误认为是字符串的结尾，因此C字符串无法正确存取二进制数据；
 SDS 的 API 都是以处理二进制的方式来处理 buf 里面的元素，并且 SDS 不是以空字符串'0'来判断是否结束，而是以 len 属性表示的长度来判断字符串是否结束，

因此 Redis 不仅可以保存文本数据，还可以保存任意格式的二进制数据。

5）C字符串函数兼容

  SDS 的buf数组会以'0'结尾，这样可以重用 C 语言库<string.h> 中的一部分函数，避免了不必要的代码重复。

四、要点总结

String 类型对象三种实现方式，int，embstr，raw
字符串内容可转为 long，采用 int 类型，否则长度<39（3.2版本前39,3.2版本后分界线44） 用 embstr，其他用 raw
SDS 是Redis自己构建的一种简单动态字符串的抽象类型，并将 SDS 作为 Redis 的默认字符串表示
SDS 与 C 语言字符串结构相比，具有五大优势