Redis——简单动态字符串（Simple Dynamic Strings,SDS）

2023-12-05 01:36
文章标签 简单 动态 redis 字符串 dynamic sds simple strings

本文主要是介绍Redis——简单动态字符串（Simple Dynamic Strings,SDS），希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

简单动态字符串（Simple Dynamic Strings,SDS）是Redis的基本数据结构之一，用于存储字符串和整型数据。SDS兼容C语言标准字符串处理函数，且在此基础上保证了二进制安全。

1、数据结构

在了解SDS源码前，我们先思考一个问题：如何实现一个扩容方便且二进制安全的字符串呢？

注意： 什么是二进制安全？通俗地讲，C语言中，用“\0”表示字符串的结束，如果字符串中本身就有“\0”字符，字符串就会被截断，即非二进制安全；若通过某种机制，保证读写字符串时不损害其内容，则是二进制安全。

SDS既然是字符串，那么首先需要一个字符串指针；为了方便上层的接口调用，该结构还需要记录一些统计信息，如当前数据长度和剩余容量等，例如：

    struct sds {int len; // buf中已占用字节数int free; // buf中剩余可用字节数char buf[]; // 数据空间};

SDS结构示意如下图所示，在64位系统下，字段len和字段free各占4个字节，紧接着存放字符串：
在这里插入图片描述
Redis 3.2之前的SDS也是这样设计的。这样设计有以下几个优点：

  • 有单独的统计变量len和free（称为头部）。可以很方便地得到字符串长度。
  • 内容存放在柔性数组buf中，SDS对上层暴露的指针不是指向结构体SDS的指针，而是直接指向柔性数组buf的指针。上层可像读取C字符串一样读取SDS的内容，兼容C语言处理字符串的各种函数。
  • 由于有长度统计变量len的存在，读写字符串时不依赖“\0”终止符，保证了二进制安全。

注意： 上例中的buf[]是一个柔性数组。柔性数组成员（flexible array member），也叫伸缩性数组成员，只能被放在结构体的末尾。包含柔性数组成员的结构体，通过malloc函数为柔性数组动态分配内存。

之所以用柔性数组存放字符串，是因为柔性数组的地址和结构体是连续的，这样查找内存更快（因为不需要额外通过指针找到字符串的位置）；可以很方便地通过柔性数组的首地址偏移得到结构体首地址，进而能很方便地获取其余变量。

到这里我们实现了一个最基本的动态字符串，但是该结构是否有改进的空间呢？我们从一个简单的问题开始思考：不同长度的字符串是否有必要占用相同大小的头部？一个int占4字节，在实际应用中，存放于Redis中的字符串往往没有这么长，每个字符串都用4字节存储未免太浪费空间了。我们考虑三种情况：短字符串，len和free的长度为1字节就够了；长字符串，用2字节或4字节；更长的字符串，用8字节。

这样确实更省内存，但依然存在以下问题：

  • 问题1：如何区分这3种情况？
  • 问题2：对于短字符串来说，头部还是太长了。以长度为1字节的字符串为例，len和free本身就占了2个字节，能不能进一步压缩呢？

对于问题1，我们考虑增加一个字段flags来标识类型，用最小的1字节来存储，且把flags加在柔性数组buf之前，这样虽然多了1字节，但通过偏移柔性数组的指针即能快速定位flags，区分类型，也可以接受；对于问题2，由于len已经是最小的1字节了，再压缩只能考虑用位来存储长度了。

结合两个问题，5种类型（长度1字节、2字节、4字节、8字节、小于1字节）的SDS至少要用3位来存储类型（2^3=8）,1个字节8位，剩余的5位存储长度，可以满足长度小于32的短字符串。在Redis 5.0中，我们用如下结构来存储长度小于32的短字符串：

    struct __attribute__ ((__packed__))sdshdr5 {unsigned char flags; /＊ 低3位存储类型，高5位存储长度 ＊/char buf[]; /＊柔性数组，存放实际内容＊/};

sdshdr5结构（下图）中，flags占1个字节，其低3位（bit）表示type，高5位（bit）表示长度，能表示的长度区间为0～31（25-1）, flags后面就是字符串的内容。
在这里插入图片描述
而长度大于31的字符串，1个字节依然存不下。我们按之前的思路，将len和free单独存放。sdshdr8、sdshdr16、sdshdr32和sdshdr64的结构相同，sdshdr16结构如下图所示：
在这里插入图片描述
其中“表头”共占用了S[2(len)+2(alloc)+1(flags)]个字节。flags的内容与sdshdr5类似，依然采用3位存储类型，但剩余5位不存储长度。

在Redis的源代码中，对类型的宏定义如下：

    #define SDS_TYPE_5   0#define SDS_TYPE_8   1#define SDS_TYPE_16 2#define SDS_TYPE_32 3#define SDS_TYPE_64 4

在Redis 5.0中，sdshdr8、sdshdr16、sdshdr32和sdshdr64的数据结构如下：

    struct __attribute__((__packed__))sdshdr8 {uint8_t len; /＊ 已使用长度，用1字节存储 ＊/uint8_t alloc; /＊ 总长度，用1字节存储＊/unsigned char flags; /＊ 低3位存储类型，高5位预留 ＊/char buf[]; /＊柔性数组，存放实际内容＊/};struct __attribute__((__packed__))sdshdr16 {uint16_t len; /＊已使用长度，用2字节存储＊/uint16_t alloc; /＊ 总长度，用2字节存储＊/unsigned char flags; /＊ 低3位存储类型，高5位预留 ＊/char buf[]; /＊柔性数组，存放实际内容＊/};struct __attribute__((__packed__))sdshdr32 {uint32_t len; /＊已使用长度，用4字节存储＊/uint32_t alloc; /＊ 总长度，用4字节存储＊/unsigned char flags; /＊ 低3位存储类型，高5位预留 ＊/char buf[]; /＊柔性数组，存放实际内容＊/};struct __attribute__((__packed__))sdshdr64 {uint64_t len; /＊已使用长度，用8字节存储＊/uint64_t alloc; /＊ 总长度，用8字节存储＊/unsigned char flags; /＊ 低3位存储类型，高5位预留 ＊/char buf[]; /＊柔性数组，存放实际内容＊/};

可以看到，这4种结构的成员变量类似，唯一的区别是len和alloc的类型不同。结构体中4个字段的具体含义分别如下：

  • len：表示buf中已占用字节数。
  • alloc：表示buf中已分配字节数，不同于free，记录的是为buf分配的总长度。
  • flags：标识当前结构体的类型，低3位用作标识位，高5位预留。
  • buf：柔性数组，真正存储字符串的数据空间。

2、基本操作

数据结构的基本操作不外乎增、删、改、查，SDS也不例外。由于Redis 3.2后的SDS涉及多种类型，修改字符串内容带来的长度变化可能会影响SDS的类型而引发扩容。

2.1、创建字符串

Redis通过sdsnewlen函数创建SDS。在函数中会根据字符串长度选择合适的类型，初始化完相应的统计值后，返回指向字符串内容的指针，根据字符串长度选择不同的类型：

    sds sdsnewlen(const void ＊init, size_t initlen) {void ＊sh;sds s;char type = sdsReqType(initlen); //根据字符串长度选择不同的类型if (type == SDS_TYPE_5 && initlen == 0) type = SDS_TYPE_8; //SDS_TYPE_5强制转化为SDS_TYPE_8int hdrlen = sdsHdrSize(type); //计算不同头部所需的长度unsigned char ＊fp; /＊ 指向flags的指针 ＊/sh = s_malloc(hdrlen+initlen+1); //"+1"是为了结束符’\0'...s = (char＊)sh+hdrlen; //s是指向buf的指针fp = ((unsigned char＊)s)-1; //s是柔性数组buf的指针，-1即指向flags...s[initlen] = '\0'; //添加末尾的结束符return s;}

注意： Redis 3.2后的SDS结构由1种增至5种，且对于sdshdr5类型，在创建空字符串时会强制转换为sdshdr8。原因可能是创建空字符串后，其内容可能会频繁更新而引发扩容，故创建时直接创建为sdshdr8。

创建SDS的大致流程：首先计算好不同类型的头部和初始长度，然后动态分配内存。需要注意以下3点：

  • 创建空字符串时，SDS_TYPE_5被强制转换为SDS_TYPE_8。
  • 长度计算时有“+1”操作，是为了算上结束符“\0”。
  • 返回值是指向sds结构buf字段的指针。

返回值sds的类型定义如下：

    typedef char ＊sds;

从源码中我们可以看到，其实s就是一个字符数组的指针，即结构中的buf。这样设计的好处在于直接对上层提供了字符串内容指针，兼容了部分C函数，且通过偏移能迅速定位到SDS结构体的各处成员变量。

2.2、释放字符串

SDS提供了直接释放内存的方法——sdsfree，该方法通过对s的偏移，可定位到SDS结构体的首部，然后调用s_free释放内存：

    void sdsfree(sds s) {if (s == NULL) return;s_free((char＊)s-sdsHdrSize(s[-1])); //此处直接释放内存}

为了优化性能（减少申请内存的开销）, SDS提供了不直接释放内存，而是通过重置统计值达到清空目的的方法——sdsclear。该方法仅将SDS的len归零，此处已存在的buf并没有真正被清除，新的数据可以覆盖写，而不用重新申请内存：

    void sdsclear(sds s) {sdssetlen(s, 0); //统计值len归零s[0] = '\0'; //清空buf}

2.3、拼接字符串

拼接字符串操作本身不复杂，可用sdscatsds来实现，代码如下：

    sds sdscatsds(sds s, const sds t) {return sdscatlen(s, t, sdslen(t));}

sdscatsds是暴露给上层的方法，其最终调用的是sdscatlen。由于其中可能涉及SDS的扩容，sdscatlen中调用sdsMakeRoomFor对带拼接的字符串s容量做检查，若无须扩容则直接返回s；若需要扩容，则返回扩容好的新字符串s。函数中的len、curlen等长度值是不含结束符的，而拼接时用memcpy将两个字符串拼接在一起，指定了相关长度，故该过程保证了二进制安全。最后需要加上结束符。

    /＊ 将指针t的内容和指针s的内容拼接在一起，该操作是二进制安全的＊/sds sdscatlen(sds s, const void ＊t, size_t len) {size_t curlen = sdslen(s);s = sdsMakeRoomFor(s, len);if (s == NULL) return NULL;memcpy(s+curlen, t, len); //直接拼接，保证了二进制安全sdssetlen(s, curlen+len);s[curlen+len] = '\0'; //加上结束符return s;}

下图描述了sdsMakeRoomFor的实现过程。
在这里插入图片描述
Redis的sds中有如下扩容策略：
1）若sds中剩余空闲长度avail大于新增内容的长度addlen，直接在柔性数组buf末尾追加即可，无须扩容。代码如下：

    sds sdsMakeRoomFor(sds s, size_t addlen){void ＊sh, ＊newsh;size_t avail = sdsavail(s);size_t len, newlen;char type, oldtype = s[-1] & SDS_TYPE_MASK; //s[-1]即flagsint hdrlen;if (avail >= addlen) return s; //无须扩容，直接返回...}

2）若sds中剩余空闲长度avail小于或等于新增内容的长度addlen，则分情况讨论：新增后总长度len+addlen<1MB的，按新长度的2倍扩容；新增后总长度len+addlen>1MB的，按新长度加上1MB扩容。代码如下：

    sds sdsMakeRoomFor(sds s, size_t addlen){...newlen = (len+addlen);if (newlen < SDS_MAX_PREALLOC)// SDS_MAX_PREALLOC这个宏的值是1MBnewlen ＊= 2;elsenewlen += SDS_MAX_PREALLOC;...}

3）最后根据新长度重新选取存储类型，并分配空间。此处若无须更改类型，通过realloc扩大柔性数组即可；否则需要重新开辟内存，并将原字符串的buf内容移动到新位置。具体代码如下：

    sds sdsMakeRoomFor(sds s, size_t addlen){...type = sdsReqType(newlen);/＊ type5的结构不支持扩容，所以这里需要强制转成type8＊/if (type == SDS_TYPE_5) type = SDS_TYPE_8;hdrlen = sdsHdrSize(type);if (oldtype==type) {/＊无须更改类型，通过realloc扩大柔性数组即可，注意这里指向buf的指针s被更新了＊/newsh = s_realloc(sh, hdrlen+newlen+1);if (newsh == NULL) return NULL;s = (char＊)newsh+hdrlen;} else {/＊ 扩容后数据类型和头部长度发生了变化，此时不再进行realloc操作，而是直接重新开辟内存，拼接完内容后，释放旧指针＊/newsh = s_malloc(hdrlen+newlen+1); //按新长度重新开辟内存if (newsh == NULL) return NULL;memcpy((char＊)newsh+hdrlen, s, len+1); //将原buf内容移动到新位置s_free(sh); //释放旧指针s = (char＊)newsh+hdrlen; //偏移sds结构的起始地址，得到字符串起始地址s[-1] = type; //为falgs赋值sdssetlen(s, len); //为len属性赋值}sdssetalloc(s, newlen); //为alloc属性赋值return s;}

2.4、其余API

下表列出了其他常用的API：
在这里插入图片描述
学习时把握以下两点：

  • SDS暴露给上层的是指向柔性数组buf的指针。
  • 读操作的复杂度多为O(1)，直接读取成员变量；涉及修改的写操作，则可能会触发扩容。

这篇关于Redis——简单动态字符串（Simple Dynamic Strings,SDS）的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！


http://www.chinasem.cn/article/455644。

相关文章

详谈redis跟数据库的数据同步问题

详谈redis跟数据库的数据同步问题

《详谈redis跟数据库的数据同步问题》文章讨论了在Redis和数据库数据一致性问题上的解决方案,主要比较了先更新Redis缓存再更新数据库和先更新数据库再更新Redis缓存两种方案,文章指出,删除R... 目录一、Redis 数据库数据一致性的解决方案1.1、更新Redis缓存、删除Redis缓存的区别二
阅读更多...
JAVA中整型数组、字符串数组、整型数和字符串 的创建与转换的方法

JAVA中整型数组、字符串数组、整型数和字符串 的创建与转换的方法

《JAVA中整型数组、字符串数组、整型数和字符串的创建与转换的方法》本文介绍了Java中字符串、字符数组和整型数组的创建方法,以及它们之间的转换方法,还详细讲解了字符串中的一些常用方法,如index... 目录一、字符串、字符数组和整型数组的创建1、字符串的创建方法1.1 通过引用字符数组来创建字符串1.2
阅读更多...
Redis与缓存解读

Redis与缓存解读

《Redis与缓存解读》文章介绍了Redis作为缓存层的优势和缺点,并分析了六种缓存更新策略,包括超时剔除、先删缓存再更新数据库、旁路缓存、先更新数据库再删缓存、先更新数据库再更新缓存、读写穿透和异步... 目录缓存缓存优缺点缓存更新策略超时剔除先删缓存再更新数据库旁路缓存(先更新数据库，再删缓存）先更新数
阅读更多...
Redis事务与数据持久化方式

Redis事务与数据持久化方式

《Redis事务与数据持久化方式》该文档主要介绍了Redis事务和持久化机制,事务通过将多个命令打包执行,而持久化则通过快照（RDB）和追加式文件（AOF）两种方式将内存数据保存到磁盘,以防止数据丢失... 目录一、Redis 事务1.1 事务本质1.2 数据库事务与redis事务1.2.1 数据库事务1.
阅读更多...
基于Qt开发一个简单的OFD阅读器

基于Qt开发一个简单的OFD阅读器

《基于Qt开发一个简单的OFD阅读器》这篇文章主要为大家详细介绍了如何使用Qt框架开发一个功能强大且性能优异的OFD阅读器,文中的示例代码讲解详细,有需要的小伙伴可以参考一下... 目录摘要引言一、OFD文件格式解析二、文档结构解析三、页面渲染四、用户交互五、性能优化六、示例代码七、未来发展方向八、结论摘要
阅读更多...
mac安装redis全过程

mac安装redis全过程

《mac安装redis全过程》文章内容主要介绍了如何从官网下载指定版本的Redis,以及如何在自定义目录下安装和启动Redis,还提到了如何修改Redis的密码和配置文件,以及使用RedisInsig... 目录MAC安装Redis安装启动redis 配置redis 常用命令总结mac安装redis官网下
阅读更多...
Redis主从复制实现原理分析

Redis主从复制实现原理分析

《Redis主从复制实现原理分析》Redis主从复制通过Sync和CommandPropagate阶段实现数据同步,2.8版本后引入Psync指令,根据复制偏移量进行全量或部分同步,优化了数据传输效率... 目录Redis主DodMIK从复制实现原理实现原理Psync: 2.8版本后总结Redis主从复制实
阅读更多...
SpringBoot使用注解集成Redis缓存的示例代码

SpringBoot使用注解集成Redis缓存的示例代码

《SpringBoot使用注解集成Redis缓存的示例代码》：本文主要介绍在SpringBoot中使用注解集成Redis缓存的步骤,包括添加依赖、创建相关配置类、需要缓存数据的类（Tes... 目录一、创建 Caching 配置类二、创建需要缓存数据的类三、测试方法Spring Boot 熟悉后，集成一个外
阅读更多...
Redis分布式锁使用及说明

Redis分布式锁使用及说明

《Redis分布式锁使用及说明》本文总结了Redis和Zookeeper在高可用性和高一致性场景下的应用,并详细介绍了Redis的分布式锁实现方式,包括使用Lua脚本和续期机制,最后,提到了RedLo... 目录Redis分布式锁加锁方式怎么会解错锁？举个小案例吧解锁方式续期总结Redis分布式锁如果追求
阅读更多...
Redis的Hash类型及相关命令小结

Redis的Hash类型及相关命令小结

《Redis的Hash类型及相关命令小结》edisHash是一种数据结构,用于存储字段和值的映射关系,本文就来介绍一下Redis的Hash类型及相关命令小结,具有一定的参考价值,感兴趣的可以了解一下... 目录HSETHGETHEXISTSHDELHKEYSHVALSHGETALLHMGETHLENHSET
阅读更多...

Copyright China编程 23002807@qq.com

沪ICP备2023033072号-2