探索Redis设计与实现3：Redis内部数据结构详解——sds

转自http://zhangtielei.com

Redis内部数据结构详解(2)——sds

本文是《Redis内部数据结构详解》系列的第二篇，讲述Redis中使用最多的一个基础数据结构：sds。

不管在哪门编程语言当中，字符串都几乎是使用最多的数据结构。sds正是在Redis中被广泛使用的字符串结构，它的全称是Simple Dynamic String。与其它语言环境中出现的字符串相比，它具有如下显著的特点：

• 可动态扩展内存。sds表示的字符串其内容可以修改，也可以追加。在很多语言中字符串会分为mutable和immutable两种，显然sds属于mutable类型的。
• 二进制安全（Binary Safe）。sds能存储任意二进制数据，而不仅仅是可打印字符。
• 与传统的C语言字符串类型兼容。这个的含义接下来马上会讨论。

看到这里，很多对Redis有所了解的同学可能已经产生了一个疑问：Redis已经对外暴露了一个字符串结构，叫做string，那这里所说的sds到底和string是什么关系呢？可能有人会猜：string是基于sds实现的。这个猜想已经非常接近事实，但在描述上还不太准确。有关string和sds之间关系的详细分析，我们放在后面再讲。现在为了方便讨论，让我们先暂时简单地认为，string的底层实现就是sds。

在讨论sds的具体实现之前，我们先站在Redis使用者的角度，来观察一下string所支持的一些主要操作。下面是一个操作示例：

以上这些操作都比较简单，我们简单解释一下：

• 初始的字符串的值设为”tielei”。
• 第3步通过append命令对字符串进行了追加，变成了”tielei zhang”。
• 然后通过setbit命令将第53个bit设置成了1。bit的偏移量从左边开始算，从0开始。其中第48～55bit是中间的空格那个字符，它的ASCII码是0x20。将第53个bit设置成1之后，它的ASCII码变成了0x24，打印出来就是’$’。因此，现在字符串的值变成了”tielei$zhang”。
• 最后通过getrange取从倒数第5个字节到倒数第1个字节的内容，得到”zhang”。

这些命令的实现，有一部分是和sds的实现有关的。下面我们开始详细讨论。

sds的数据结构定义

我们知道，在C语言中，字符串是以’\0’字符结尾（NULL结束符）的字符数组来存储的，通常表达为字符指针的形式（char *）。它不允许字节0出现在字符串中间，因此，它不能用来存储任意的二进制数据。

我们可以在sds.h中找到sds的类型定义：

typedef char *sds;

肯定有人感到困惑了，竟然sds就等同于char *？我们前面提到过，sds和传统的C语言字符串保持类型兼容，因此它们的类型定义是一样的，都是char *。在有些情况下，需要传入一个C语言字符串的地方，也确实可以传入一个sds。但是，sds和char *并不等同。sds是Binary Safe的，它可以存储任意二进制数据，不能像C语言字符串那样以字符’\0’来标识字符串的结束，因此它必然有个长度字段。但这个长度字段在哪里呢？实际上sds还包含一个header结构：

struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr5 {
    unsigned char flags; /* 3 lsb of type, and 5 msb of string length */
    char buf[];
};
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr8 {
    uint8_t len; /* used */
    uint8_t alloc; /* excluding the header and null terminator */
    unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits */
    char buf[];
};
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr16 {
    uint16_t len; /* used */
    uint16_t alloc; /* excluding the header and null terminator */
    unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits */
    char buf[];
};
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr32 {
    uint32_t len; /* used */
    uint32_t alloc; /* excluding the header and null terminator */
    unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits */
    char buf[];
};
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr64 {
    uint64_t len; /* used */
    uint64_t alloc; /* excluding the header and null terminator */
    unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits */
    char buf[];
};

sds一共有5种类型的header。之所以有5种，是为了能让不同长度的字符串可以使用不同大小的header。这样，短字符串就能使用较小的header，从而节省内存。

一个sds字符串的完整结构，由在内存地址上前后相邻的两部分组成：

• 一个header。通常包含字符串的长度(len)、最大容量(alloc)和flags。sdshdr5有所不同。
• 一个字符数组。这个字符数组的长度等于最大容量+1。真正有效的字符串数据，其长度通常小于最大容量。在真正的字符串数据之后，是空余未用的字节（一般以字节0填充），允许在不重新分配内存的前提下让字符串数据向后做有限的扩展。在真正的字符串数据之后，还有一个NULL结束符，即ASCII码为0的’\0’字符。这是为了和传统C字符串兼容。之所以字符数组的长度比最大容量多1个字节，就是为了在字符串长度达到最大容量时仍然有1个字节存放NULL结束符。

除了sdshdr5之外，其它4个header的结构都包含3个字段：

• len: 表示字符串的真正长度（不包含NULL结束符在内）。
• alloc: 表示字符串的最大容量（不包含最后多余的那个字节）。
• flags: 总是占用一个字节。其中的最低3个bit用来表示header的类型。header的类型共有5种，在sds.h中有常量定义。

#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

sds的数据结构，我们有必要非常仔细地去解析它。

上图是sds的一个内部结构的例子。图中展示了两个sds字符串s1和s2的内存结构，一个使用sdshdr8类型的header，另一个使用sdshdr16类型的header。但它们都表达了同样的一个长度为6的字符串的值：”tielei”。下面我们结合代码，来解释每一部分的组成。

sds的字符指针（s1和s2）就是指向真正的数据（字符数组）开始的位置，而header位于内存地址较低的方向。在sds.h中有一些跟解析header有关的宏定义：

#define SDS_TYPE_MASK 7
#define SDS_TYPE_BITS 3
#define SDS_HDR_VAR(T,s) struct sdshdr##T *sh = (void*)((s)-(sizeof(struct sdshdr##T)));
#define SDS_HDR(T,s) ((struct sdshdr##T *)((s)-(sizeof(struct sdshdr##T))))
#define SDS_TYPE_5_LEN(f) ((f)>>SDS_TYPE_BITS)

其中SDS_HDR用来从sds字符串获得header起始位置的指针，比如SDS_HDR(8, s1)表示s1的header指针，SDS_HDR(16, s2)表示s2的header指针。

当然，使用SDS_HDR之前我们必须先知道到底是哪一种header，这样我们才知道SDS_HDR第1个参数应该传什么。由sds字符指针获得header类型的方法是，先向低地址方向偏移1个字节的位置，得到flags字段。比如，s1[-1]和s2[-1]分别获得了s1和s2的flags的值。然后取flags的最低3个bit得到header的类型。

• 由于s1[-1] == 0x01 == SDS_TYPE_8，因此s1的header类型是sdshdr8。
• 由于s2[-1] == 0x02 == SDS_TYPE_16，因此s2的header类型是sdshdr16。

有了header指针，就能很快定位到它的len和alloc字段：

• s1的header中，len的值为0x06，表示字符串数据长度为6；alloc的值为0x80，表示字符数组最大容量为128。
• s2的header中，len的值为0x0006，表示字符串数据长度为6；alloc的值为0x03E8，表示字符数组最大容量为1000。（注意：图中是按小端地址构成）

在各个header的类型定义中，还有几个需要我们注意的地方：

• 在各个header的定义中使用了__attribute__ ((packed))，是为了让编译器以紧凑模式来分配内存。如果没有这个属性，编译器可能会为struct的字段做优化对齐，在其中填充空字节。那样的话，就不能保证header和sds的数据部分紧紧前后相邻，也不能按照固定向低地址方向偏移1个字节的方式来获取flags字段了。
• 在各个header的定义中最后有一个char buf[]。我们注意到这是一个没有指明长度的字符数组，这是C语言中定义字符数组的一种特殊写法，称为柔性数组（flexible array member），只能定义在一个结构体的最后一个字段上。它在这里只是起到一个标记的作用，表示在flags字段后面就是一个字符数组，或者说，它指明了紧跟在flags字段后面的这个字符数组在结构体中的偏移位置。而程序在为header分配的内存的时候，它并不占用内存空间。如果计算sizeof(struct sdshdr16)的值，那么结果是5个字节，其中没有buf字段。
• sdshdr5与其它几个header结构不同，它不包含alloc字段，而长度使用flags的高5位来存储。因此，它不能为字符串分配空余空间。如果字符串需要动态增长，那么它就必然要重新分配内存才行。所以说，这种类型的sds字符串更适合存储静态的短字符串（长度小于32）。

至此，我们非常清楚地看到了：sds字符串的header，其实隐藏在真正的字符串数据的前面（低地址方向）。这样的一个定义，有如下几个好处：

• header和数据相邻，而不用分成两块内存空间来单独分配。这有利于减少内存碎片，提高存储效率（memory efficiency）。
• 虽然header有多个类型，但sds可以用统一的char *来表达。且它与传统的C语言字符串保持类型兼容。如果一个sds里面存储的是可打印字符串，那么我们可以直接把它传给C函数，比如使用strcmp比较字符串大小，或者使用printf进行打印。

弄清了sds的数据结构，它的具体操作函数就比较好理解了。

sds的一些基础函数

• sdslen(const sds s): 获取sds字符串长度。
• sdssetlen(sds s, size_t newlen): 设置sds字符串长度。
• sdsinclen(sds s, size_t inc): 增加sds字符串长度。
• sdsalloc(const sds s): 获取sds字符串容量。
• sdssetalloc(sds s, size_t newlen): 设置sds字符串容量。
• sdsavail(const sds s): 获取sds字符串空余空间（即alloc - len）。
• sdsHdrSize(char type): 根据header类型得到header大小。
• sdsReqType(size_t string_size): 根据字符串数据长度计算所需要的header类型。

这里我们挑选sdslen和sdsReqType的代码，察看一下。

static inline size_t sdslen(const sds s) {
    unsigned char flags = s[-1];
    switch(flags&SDS_TYPE_MASK) {
        case SDS_TYPE_5:
            return SDS_TYPE_5_LEN(flags);
        case SDS_TYPE_8:
            return SDS_HDR(8,s)->len;
        case SDS_TYPE_16:
            return SDS_HDR(16,s)->len;
        case SDS_TYPE_32:
            return SDS_HDR(32,s)->len;
        case SDS_TYPE_64:
            return SDS_HDR(64,s)->len;
    }
    return 0;
}

static inline char sdsReqType(size_t string_size) {
    if (string_size < 1<<5)
        return SDS_TYPE_5;
    if (string_size < 1<<8)
        return SDS_TYPE_8;
    if (string_size < 1<<16)
        return SDS_TYPE_16;
    if (string_size < 1ll<<32)
        return SDS_TYPE_32;
    return SDS_TYPE_64;
}

跟前面的分析类似，sdslen先用s[-1]向低地址方向偏移1个字节，得到flags；然后与SDS_TYPE_MASK进行按位与，得到header类型；然后根据不同的header类型，调用SDS_HDR得到header起始指针，进而获得len字段。

通过sdsReqType的代码，很容易看到：

• 长度在0和2^5-1之间，选用SDS_TYPE_5类型的header。
• 长度在2^5和2^8-1之间，选用SDS_TYPE_8类型的header。
• 长度在2^8和2^16-1之间，选用SDS_TYPE_16类型的header。
• 长度在2^16和2^32-1之间，选用SDS_TYPE_32类型的header。
• 长度大于2^32的，选用SDS_TYPE_64类型的header。能表示的最大长度为2^64-1。

注：sdsReqType的实现代码，直到3.2.0，它在长度边界值上都一直存在问题，直到最近3.2 branch上的commit 6032340才修复。

sds的创建和销毁

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 (!init)
        memset(sh, 0, hdrlen+initlen+1);
    if (sh == NULL) return NULL;
    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;
}

sds sdsempty(void) {
    return sdsnewlen("",0);
}

sds sdsnew(const char *init) {
    size_t initlen = (init == NULL) ? 0 : strlen(init);
    return sdsnewlen(init, initlen);
}

void sdsfree(sds s) {
    if (s == NULL) return;
    s_free((char*)s-sdsHdrSize(s[-1]));
}

sdsnewlen创建一个长度为initlen的sds字符串，并使用init指向的字符数组（任意二进制数据）来初始化数据。如果init为NULL，那么使用全0来初始化数据。它的实现中，我们需要注意的是：

• 如果要创建一个长度为0的空字符串，那么不使用SDS_TYPE_5类型的header，而是转而使用SDS_TYPE_8类型的header。这是因为创建的空字符串一般接下来的操作很可能是追加数据，但SDS_TYPE_5类型的sds字符串不适合追加数据（会引发内存重新分配）。
• 需要的内存空间一次性进行分配，其中包含三部分：header、数据、最后的多余字节（hdrlen+initlen+1）。
• 初始化的sds字符串数据最后会追加一个NULL结束符（s[initlen] = ‘\0’）。

关于sdsfree，需要注意的是：内存要整体释放，所以要先计算出header起始指针，把它传给s_free函数。这个指针也正是在sdsnewlen中调用s_malloc返回的那个地址。

sds的连接（追加）操作

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);
    sdssetlen(s, curlen+len);
    s[curlen+len] = '\0';
    return s;
}

sds sdscat(sds s, const char *t) {
    return sdscatlen(s, t, strlen(t));
}

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

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;
    int hdrlen;

    /* Return ASAP if there is enough space left. */
    if (avail >= addlen) return s;

    len = sdslen(s);
    sh = (char*)s-sdsHdrSize(oldtype);
    newlen = (len+addlen);
    if (newlen < SDS_MAX_PREALLOC)
        newlen *= 2;
    else
        newlen += SDS_MAX_PREALLOC;

    type = sdsReqType(newlen);

    /* Don't use type 5: the user is appending to the string and type 5 is
     * not able to remember empty space, so sdsMakeRoomFor() must be called
     * at every appending operation. */
    if (type == SDS_TYPE_5) type = SDS_TYPE_8;

    hdrlen = sdsHdrSize(type);
    if (oldtype==type) {
        newsh = s_realloc(sh, hdrlen+newlen+1);
        if (newsh == NULL) return NULL;
        s = (char*)newsh+hdrlen;
    } else {
        /* Since the header size changes, need to move the string forward,
         * and can't use realloc */
        newsh = s_malloc(hdrlen+newlen+1);
        if (newsh == NULL) return NULL;
        memcpy((char*)newsh+hdrlen, s, len+1);
        s_free(sh);
        s = (char*)newsh+hdrlen;
        s[-1] = type;
        sdssetlen(s, len);
    }
    sdssetalloc(s, newlen);
    return s;
}

sdscatlen将t指向的长度为len的任意二进制数据追加到sds字符串s的后面。本文开头演示的string的append命令，内部就是调用sdscatlen来实现的。

在sdscatlen的实现中，先调用sdsMakeRoomFor来保证字符串s有足够的空间来追加长度为len的数据。sdsMakeRoomFor可能会分配新的内存，也可能不会。

sdsMakeRoomFor是sds实现中很重要的一个函数。关于它的实现代码，我们需要注意的是：

• 如果原来字符串中的空余空间够用（avail >= addlen），那么它什么也不做，直接返回。
• 如果需要分配空间，它会比实际请求的要多分配一些，以防备接下来继续追加。它在字符串已经比较长的情况下要至少多分配SDS_MAX_PREALLOC个字节，这个常量在sds.h中定义为(1024*1024)=1MB。
• 按分配后的空间大小，可能需要更换header类型（原来header的alloc字段太短，表达不了增加后的容量）。
• 如果需要更换header，那么整个字符串空间（包括header）都需要重新分配（s_malloc），并拷贝原来的数据到新的位置。
• 如果不需要更换header（原来的header够用），那么调用一个比较特殊的s_realloc，试图在原来的地址上重新分配空间。s_realloc的具体实现得看Redis编译的时候选用了哪个allocator（在Linux上默认使用jemalloc）。但不管是哪个realloc的实现，它所表达的含义基本是相同的：它尽量在原来分配好的地址位置重新分配，如果原来的地址位置有足够的空余空间完成重新分配，那么它返回的新地址与传入的旧地址相同；否则，它分配新的地址块，并进行数据搬迁。参见http://man.cx/realloc。

从sdscatlen的函数接口，我们可以看到一种使用模式：调用它的时候，传入一个旧的sds变量，然后它返回一个新的sds变量。由于它的内部实现可能会造成地址变化，因此调用者在调用完之后，原来旧的变量就失效了，而都应该用新返回的变量来替换。不仅仅是sdscatlen函数，sds中的其它函数（比如sdscpy、sdstrim、sdsjoin等），还有Redis中其它一些能自动扩展内存的数据结构（如ziplist），也都是同样的使用模式。

浅谈sds与string的关系

现在我们回过头来看看本文开头给出的string操作的例子。

• append操作使用sds的sdscatlen来实现。前面已经提到。
• setbit和getrange都是先根据key取到整个sds字符串，然后再从字符串选取或修改指定的部分。由于sds就是一个字符数组，所以对它的某一部分进行操作似乎都比较简单。

但是，string除了支持这些操作之外，当它存储的值是个数字的时候，它还支持incr、decr等操作。那么，当string存储数字值的时候，它的内部存储还是sds吗？实际上，不是了。而且，这种情况下，setbit和getrange的实现也会有所不同。这些细节，我们放在下一篇介绍robj的时候再进行系统地讨论。

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