面试官:你了解过Redis对象底层实现吗

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简介: 面试官:你了解过Redis对象底层实现吗

0. 五类对象分别是什么


五类对象就是我们常用的string、list、set、zset、hash


1. 为什么要有对象


我们平时主要是通过操作对象的api来操作redis,而不是通过它的调用它底层数据结构来完成(外观模式)。但我们还需要了解其底层,只有这样才能写最优化高效的代码。


  1. 跟java一样,对象使开发更方便简洁,降低开发门槛。开发者不需要了解其复杂的底层API,直接调用高层接口即可实现开发。
  2. Redis根据对象类型来判断命令是否违法,如果你set key value1 value2就报错。
  3. 对象下可以包含多种数据结构,使数据存储更加多态化。(下面主讲)
  4. Reids基于对象做了垃圾回收(引用计数法)。
  5. 对象带有更丰富的属性,来帮助redis实现更高级的功能。(比如对象的闲置时间)。


2. Redis对象(RedisObject)源码分析


typedef struct redisObject {
    // 类型
    unsigned type:4;
    // 编码
    unsigned encoding:4;
    // 指向底层实现数据结构的指针
    void *ptr;
    // ...
} robj;


type字段


记录对象类型。



我们平时用的命令type <key>,其实就是返回这个字段的属性。


127.0.0.1:6379> set hello world
OK
127.0.0.1:6379> type hello
string
127.0.0.1:6379> rpush list 1 2 3
(integer) 3
127.0.0.1:6379> type list
list
...


那type有多少中类型呢?看下面这个表:


image.png


encoding字段


记录对象使用的编码(数据结构),Reids中称数据结构为encoding。


我们可以这样查看我们redis对象中的encoding:


127.0.0.1:6379> object encoding hello
"embstr"
127.0.0.1:6379> object encoding list
"quicklist"
...



既然它是标明该redisObject是使用的什么数据结构,那肯定也有个对应的表:


image.png


我们可以看到,Redis对对象的底层encoding分的很细,String类型就有三个,其它四个对象都分别有两种不同的底层数据结构的实现。他们有一规律,就是用ziplistintsetembstr来实现少量的数据,数据量一旦庞大,就会升级到skiplistrawlinkedlistht来实现,后面我会仔细讲解。


3. 分别分析各个对象的底层编码实现(数据结构)


3.1 字符串(string)


字符串编码有三个:int、raw、embstr。


3.1.1 int


当string对象的值全部是数字,就会使用int编码。


127.0.0.1:6379> set number 123455
OK
127.0.0.1:6379> object encoding number
"int"

3.1.2 embstr


字符串或浮点数长度小于等于39字节,就会使用embstr编码方式来存储,embstr存储内存一般很小,所以redis一次性分配且内存连续(效率高)。


127.0.0.1:6379> set shortStr "suwe suwe suwe"
OK
127.0.0.1:6379> object encoding shortStr
"embstr"

3.1.2 raw


当一个字符串或浮点数长度大于39字节,就使用SDS来保存,编码为raw,由于不确定值的字节大小,所以键和值各分配各的,所以就分配两次内存(回收也是两次),同理它一定不是内存连续的。


127.0.0.1:6379> set longStr "hello everyone, we dont need to sleep around to go aheard! do you think?"
OK
127.0.0.1:6379> object encoding longStr
"raw"

3.1.3 编码转换


前面说过,Redis会自动对编码进行转换来适应和优化数据的存储。


int->raw


条件:数字对象进行append字母,就会发生转换。


127.0.0.1:6379> object encoding number
"int"
127.0.0.1:6379> append number " is a lucky number"
(integer) 24
127.0.0.1:6379> object encoding number
"raw"


embstr->raw


条件:对embstr进行修改,redis会先将其转换成raw,然后才进行修改。所以embstr实际上是只读性质的。


127.0.0.1:6379> object encoding shortStr
"embstr"
127.0.0.1:6379> append shortStr "(hhh"
(integer) 18
127.0.0.1:6379> object encoding shortStr
"raw"


3.2 列表(list)


列表对象编码可以是:ziplist或linkedlist。


  1. ziplist压缩列表不知道大家还记得不,就是zlbytes zltail zllen entry1 entry2 ..end结构,entry节点里有pre-length、encoding、content属性,忘记的可以返回去看下。


  1. linkedlist,类似双向链表,也是上一章的知识。

3.2.1 编码转换


ziplist->linkedlist


条件:列表对象的所有字符串元素的长度大于等于64字节 & 列表元素数大于等于512. 反之,小于64和小于512会使用ziplist而不是用linkedlist。

这个阈值是可以修改的,修改选项:list-max-ziplist-valuelist-max-ziplist-entriess


3.3 哈希(hash)


哈希对象的编码有:ziplist和hashtable


3.3.1 编码转换


ziplist->hashtable


条件:哈希对象所有键和值字符串长度大于等于64字节 & 键值对数量大于等于512


这个阈值也是可以修改的,修改选项:hash-max-ziplist-valuehash-max-ziplist-entriess


3.4. 集合(set)


集合对象的编码有:intset和hashtable


3.4.1 intset


  1. 集合对象所有元素都是整数


  1. 集合对象元素数不超过512个

3.4.2 编码转换


intset->hashtable



条件:元素不都是整数 & 元素数大于等于512


3.5. 有序集合(zset)


有序集合用到的编码:ziplist和skiplist


大家可能很好奇阿,ziplist的entry中只有属性content可以存放数据,集合也是key-value形式,那怎么存储呢?


第一个节点保存key、第二个节点保存value 以此类推...


3.5.1 为什么要用这两个编码



  1. 如果只用ziplist来实现,无法做到元素的排序,不支持范围查找,能做到元素的快速查找。


  1. 如果只用skiplist来实现,无法做到快速查找,但能做到元素排序、范围操作。

3.5.2 编码转换


ziplist->skiplist


条件:有序集合元素数 >= 128 & 含有元素的长度 >= 64

这个阈值也是可以修改的,修改选项:zset-max-ziplist-valuezset-max-ziplist-entriess


4. 垃圾回收


为什么要说内存回收呢,因为redisObject有一个字段:


typedef struct redisObject {
    // ...
    // 引用计数
    int refcount;
    // ...
} robj;


redis的垃圾回收采用引用计数法(和jvm一样),底层采用一个变量对对象的使用行为进行计数。


  • 初始化为1
  • 对象被引用,+1
  • 对象引用消除,-1
  • 计数器==0, 回收对象


5. 对象共享


5.1 对象共享的体现


  1. redis中,值是整数值且相等的两个对象,redis会将该对象进行共享,且引用计数+1


  1. redis启动会自动生成0-9999的整数值放到内存中来共享。


5.2 为什么要对象共享



节约内存


5.3 为什么不对字符串进行共享


成本太高。


验证整数相等只需要O(1)的时间复杂度,而验证字符串要O(n).


6. 对象的空闲时长


最后,redisObject还有一个字段,记录了对象最后一次被访问的时间:


typedef struct redisObject {
    // ...
    unsigned lru:22;
    // ...
} robj;


因为这个字段记录对象最后一次被访问的时间,所以它可以用来查看该对象多久未使用,即:用当前时间-lru


127.0.0.1:6379> object idletime hello
(integer) 5110


它还关系到redis的热点数据实现,如果我们选择lr算法,当内存超出阈值后会对空闲时长较高的对象进行释放,回收内存。


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