[Redis]揭秘Redis核心：内存数据结构与操作原理深度解析

引言Redis（Remote Dictionary Server）是一款高性能的键值对存储系统，以其高性能、持久化、支持多种数据结构等特性在缓存、消息队列、分布式锁等领域得到了广泛应用。Redis的核...

引言

Redis（Remote Dictionary Server）是一款高性能的键值对存储系统，以其高性能、持久化、支持多种数据结构等特性在缓存、消息队列、分布式锁等领域得到了广泛应用。Redis的核心是其内存数据结构，本文将深入解析Redis的内存数据结构与操作原理，帮助读者更好地理解Redis的工作机制。

Redis内存数据结构

Redis的内存数据结构是其核心，主要包括以下几种：

1. 字符串（String）

字符串是Redis中最基本的数据类型，可以存储任何类型的字符串，包括普通字符串、数字等。Redis内部使用 embstr 和 raw 决定如何存储字符串。

• embstr：当字符串长度小于 39 字节时，Redis会将其存储在 embstr 数据结构中，这种存储方式可以节省内存。
• raw：当字符串长度大于或等于 39 字节时，Redis会将其存储在 raw 数据结构中。

// Redis 字符串结构体定义
typedef struct sdshdr { int len; int free; char buf[];
} sdshdr;
// embstr 结构体定义
typedef struct sdshdr8 { unsigned char flags; /* 3 lsb of type, and 5 msb of encoding */ unsigned char len; char buf[];
} sdshdr8;
// raw 结构体定义
typedef struct sdshdr16 { unsigned short len; unsigned short free; char buf[];
} sdshdr16;
// sdshdr8 和 sdshdr16 中的 flags 字段表示字符串的类型和编码

2. 列表（List）

列表是一种可以存储多个元素的有序集合。Redis内部使用 ziplist 或 linkedlist 实现列表。

• ziplist：当列表较小时，Redis会使用 ziplist 存储列表，这种存储方式可以节省内存。
• linkedlist：当列表较大时，Redis会使用 linkedlist 存储列表。

// Redis 列表结构体定义
typedef struct listNode { void *value; struct listNode *prev; struct listNode *next;
} listNode;
// ziplist 结构体定义
typedef struct zlentry { unsigned char *key; unsigned int keylen; unsigned char *val; unsigned int vallen;
} zlentry;
// linkedlist 结构体定义
typedef struct list { listNode *head; listNode *tail; unsigned long len;
} list;

3. 集合（Set）

集合是一种可以存储多个无序且唯一的元素的集合。Redis内部使用 hashtab 实现集合。

// Redis 集合结构体定义
typedef struct dictType { unsigned int hashFunction; void *keyDup; void *valDup; void *keyDestructor; void *valDestructor;
} dictType;
// hashtab 结构体定义
typedef struct dict { dictType *type; void *privdata; dictEntry **table; unsigned long size; unsigned long used; dictEntry **rehashidx;
} dict;

4. 哈希表（Hash）

哈希表是一种可以存储键值对的数据结构。Redis内部使用 hashtab 实现哈希表。

// Redis 哈希表结构体定义
typedef struct dictType { unsigned int hashFunction; void *keyDup; void *valDup; void *keyDestructor; void *valDestructor;
} dictType;
// hashtab 结构体定义
typedef struct dict { dictType *type; void *privdata; dictEntry **table; unsigned long size; unsigned long used; dictEntry **rehashidx;
} dict;

5. 有序集合（Sorted Set）

有序集合是一种可以存储多个元素的有序集合。Redis内部使用 skiplist 和 hash table 实现有序集合。

// Redis 有序集合结构体定义
typedef struct zsetNode { double score; robj *obj; struct zsetNode *prev; struct zsetNode *next;
} zsetNode;
// skiplist 结构体定义
typedef struct skiplistNode { struct skiplistNode *forward[2]; double score; robj *obj;
} skiplistNode;
// hash table 结构体定义
typedef struct dictType { unsigned int hashFunction; void *keyDup; void *valDup; void *keyDestructor; void *valDestructor;
} dictType;
// hashtab 结构体定义
typedef struct dict { dictType *type; void *privdata; dictEntry **table; unsigned long size; unsigned long used; dictEntry **rehashidx;
} dict;

Redis操作原理

Redis的操作原理主要基于其内存数据结构，以下是几种常见操作的原理：

1. 字符串操作

字符串操作包括设置、获取、修改等。Redis内部通过查找 embstr 或 raw 数据结构来执行字符串操作。

// 设置字符串
void setStr(redisContext *c, const char *key, const char *value) { redisCommand(c, "SET %s %s", key, value);
}
// 获取字符串
const char *getStr(redisContext *c, const char *key) { redisReply *reply = redisCommand(c, "GET %s", key); return reply->str;
}
// 修改字符串
void modifyStr(redisContext *c, const char *key, const char *value) { redisCommand(c, "SET %s %s", key, value);
}

2. 列表操作

列表操作包括添加、获取、删除等。Redis内部通过查找 ziplist 或 linkedlist 数据结构来执行列表操作。

// 添加元素
void lpush(redisContext *c, const char *key, const char *value) { redisCommand(c, "LPUSH %s %s", key, value);
}
// 获取元素
const char *lpop(redisContext *c, const char *key) { redisReply *reply = redisCommand(c, "LPOP %s", key); return reply->str;
}
// 删除元素
void rpop(redisContext *c, const char *key) { redisCommand(c, "RPOP %s", key);
}

3. 集合操作

集合操作包括添加、获取、删除等。Redis内部通过查找 hashtab 数据结构来执行集合操作。

// 添加元素
void sadd(redisContext *c, const char *key, const char *value) { redisCommand(c, "SADD %s %s", key, value);
}
// 获取元素
const char *smembers(redisContext *c, const char *key) { redisReply *reply = redisCommand(c, "SMEMBERS %s", key); return reply->str;
}
// 删除元素
void srem(redisContext *c, const char *key, const char *value) { redisCommand(c, "SREM %s %s", key, value);
}

4. 哈希表操作

哈希表操作包括添加、获取、修改等。Redis内部通过查找 hashtab 数据结构来执行哈希表操作。

// 添加元素
void hset(redisContext *c, const char *key, const char *field, const char *value) { redisCommand(c, "HSET %s %s %s", key, field, value);
}
// 获取元素
const char *hget(redisContext *c, const char *key, const char *field) { redisReply *reply = redisCommand(c, "HGET %s %s", key, field); return reply->str;
}
// 修改元素
void hsetnx(redisContext *c, const char *key, const char *field, const char *value) { redisCommand(c, "HSETNX %s %s %s", key, field, value);
}

5. 有序集合操作

有序集合操作包括添加、获取、删除等。Redis内部通过查找 skiplist 和 hash table 数据结构来执行有序集合操作。

// 添加元素
void zadd(redisContext *c, const char *key, double score, const char *member) { redisCommand(c, "ZADD %s %lf %s", key, score, member);
}
// 获取元素
const char *zrange(redisContext *c, const char *key, long start, long end) { redisReply *reply = redisCommand(c, "ZRANGE %s %ld %ld", key, start, end); return reply->str;
}
// 删除元素
void zrem(redisContext *c, const char *key, const char *member) { redisCommand(c, "ZREM %s %s", key, member);
}

总结

本文深入解析了Redis的内存数据结构与操作原理，通过分析Redis的字符串、列表、集合、哈希表和有序集合等数据结构，以及对应的操作原理，帮助读者更好地理解Redis的工作机制。希望本文能对读者在Redis应用和开发过程中有所帮助。