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第2章

简单动态字符串
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。本章将详细讲解SDS的实现，为读者理解Redis的原理和各种命令的实现打下基础。

2.1　数据结构

在学习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？
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结构示意如图2-1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。

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。
1）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。
2）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。
3）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。
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（23＝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（图2-2）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。

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结构如图2-3所示。

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。
1）len：表示buf中已占用字节数。
2）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。
3）flags：标识当前结构体的类型，低3位用作标识位，高5位预留。
4）buf：柔性数组，真正存储字符串的数据空间。
结构最后的buf依然是柔性数组，通过对数组指针作“减一”操作，能方便地定位到flags。在2.2节中，我们能更直观地了解该用法。
源码中的__attribute__((__packed__))需要重点关注。一般情况下，结构体会按其所有变量大小的最小公倍数做字节对齐，而用packed修饰后，结构体则变为按1字节对齐。以sdshdr32为例，修饰前按4字节对齐大小为12(4×3)字节；修饰后按1字节对齐，注意buf是个char类型的柔性数组，地址连续，始终在flags之后。packed修饰前后示意如图2-4所示。
这样做有以下两个好处。
□节省内存，例如sdshdr32可节省3个字节（12-9）。
□SDS返回给上层的，不是结构体首地址，而是指向内容的buf指针。因为此时按1字节对齐，故SDS创建成功后，无论是sdshdr8、sdshdr16还是sdshdr32，都能通过(char*)sh+hdrlen得到buf指针地址（其中hdrlen是结构体长度，通过sizeof计算得到）。修饰后，无论是sdshdr8、sdshdr16还是sdshdr32，都能通过buf[-1]找到flags，因为此时按1字节对齐。若没有packed的修饰，还需要对不同结构进行处理，实现更复杂。

2.2　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。本节着重介绍创建、释放、拼接字符串的相关API，帮助大家更好地理解SDS结构。在2.2.4节列出了SDS相关API的函数名和功能介绍，有兴趣的读者可自行查阅源代码。

2.2.1　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_8
int 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;

}
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。
1）创建空字符串时，SDS_TYPE_5被强制转换为SDS_TYPE_8。
2）长度计算时有“+1”操作，是为了算上结束符“0”。
3）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。

2.2.2　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

}

2.2.3　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;

}
图2-5描述了sdsMakeRoomFor的实现过程。
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flags
int 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1MB
    newlen *= 2;
else
    newlen += 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;

}

2.2.4　其余API

SDS还为上层提供了许多其他API，篇幅所限，不再赘述。表2-1列出了其他常用的API，读者可自行查阅源码学习，学习时把握以下两点。
1）SDS暴露给上层的是指向柔性数组buf的指针。
2）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。

2.3　本章小结

本章介绍了SDS的数据结构及基本API的实现。在源码分析过程中，我们可以知道SDS的以下特性是如何实现的。
1）SDS如何兼容C语言字符串？如何保证二进制安全？
SDS对象中的buf是一个柔性数组，上层调用时，SDS直接返回了buf。由于buf是直接指向内容的指针，故兼容C语言函数。而当真正读取内容时，SDS会通过len来限制读取长度，而非“0”，保证了二进制安全。
2）sdshdr5的特殊之处是什么？
sdshdr5只负责存储小于32字节的字符串。一般情况下，小字符串的存储更普遍，故Redis进一步压缩了sdshdr5的数据结构，将sdshdr5的类型和长度放入了同一个属性中，用flags的低3位存储类型，高5位存储长度。创建空字符串时，sdshdr5会被sdshdr8替代。
3）SDS是如何扩容的？
SDS在涉及字符串修改处会调用sdsMakeroomFor函数进行检查，根据不同情况动态扩容，该操作对上层透明。