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阿竺 · 更新于 2021-07-09

1. 前言

簡單來說，Redis（Remote Dictionary Server）也是一個數據庫，不過和傳統數據庫不同點在于 Redis 的數據存儲在內存中，所以讀寫速度遠超傳統數據庫（例如 MySQL ），同時因為Key—Value的數據存儲形式非常零活，所以Redis被廣泛應用在緩存方向，并且能適配各種實戰的應用場景。

Redis 提供了多種語言的 API ，比如常見的 Java、C++、Python 等，基本是后端開發中最常用的緩存中間件。

掌握 MySQL 是后端開發的必備技能，掌握 Redis 則是一個簡歷加分項。

我們在之前的章節對 MySQL 常見的題目進行了剖析， 在本章中我們會介紹 Redis 相關的高頻面試題。

2. Redis底層數據結構

面試官提問： 你有看過 Redis 源碼嗎？Redis 底層是用什么數據結構實現的？

題目解析：

這里談到的數據結構不是 Redis 的五種對外基本數據結構：String（字符串類型）、Hash（哈希類型）、List（鏈表類型）、Set（集合類型）、ZSet（有序集合類型），而是更為底層的數據結構實現，例如雙向鏈表、字典、壓縮列表等。

Redis 底層是用標準 C 語言編寫的，下面我們會結合 C 代碼分析。

2.1 SDS 數據結構

2.1.1 定義

字符串是 Redis 中最常用的數據類型。

Redis 里的五種基礎數據類型都是以唯一字符串作為 Key，通過這個 Key 映射不同的 Value 數據，不同數據類型的差異在于存儲 Value 不同，String 類型的 Value 是字符串，List 類型的 Value 是列表。

Redis 沒有使用 C 語言原生的字符數組表示字符串，而是定義了一個字符串結構體 SDS（Simple Dynamic String，簡單動態字符串）。

SDS的結構體定義如下：

struct sdshdr{
     //記錄buf數組中已使用字節的數量，等于SDS中已使用字符串的長度
     int len;
     //記錄buf數組中未使用字節的數量
     int free;
     //字節數組，用于保存字符串
     char buf[];
}

然后候選人可以結合畫圖的方式解釋SDS的數據結構：

圖片描述
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（"mooc"字符串存儲示意圖）

如上圖所示，當前字符串長度len = 4，未使用長度free = 0，buf數組存儲的內容是"mooc\0"。

注意：C 語言中的字符串都是以'\0'結尾，并且計算len值時不包含末尾的'\0'；另外，長度為零的數組即char[] buf不占用內存。

其次，我們需要闡述 SDS 數據結構的優點：

2.1.2 常量時間獲取字符串長度

對于傳統的 C 字符串，如果要獲取字符串長度，例如調用strlen()函數，會從頭開始遍歷字符串直到遇到'\0'，時間復雜度為O(n)；

對于 SDS 數據結構，能直接訪問len屬性獲取字符串長度，時間復雜度為O(1) ，獲取字符串長度的操作不會成為 Redis 的性能瓶頸。

2.1.3 避免緩沖區溢出

傳統 C 語言字符串不會記錄本身長度，在復制字符串的時候，如果分配的內存不夠，會造成緩沖區溢出。

SDS 復制字符串時，會首先檢查 free 變量，判斷內存空間是否符合復制要求，如果不滿足的話，會將空間擴展到所需要的程度，再執行復制操作，不存在緩沖區溢出的問題。

2.1.4 減少內存分配次數

傳統 C 語言在對字符串進行修改時，會對數組重新分配內存，這個過程可能會涉及操作系統的系統調用，耗時較長。

在 Redis 中， SDS 提供了空間預分配和惰性空間釋放兩種優化規則：

規則一：空間預分配規則

調用 SDS 的 API 對 SDS 進行修改時，API 不僅會分配本次修改需要的內存空間，還會分配額外的內存空間。

這里遵循的兩種定量分配規則：

  • sdshdr的len字段值 < 1MB時，會分配和len同樣大小的未使用空間；

  • sdshdr的len字段值 > 1MB時，會分配1MB的未使用空間。

其中檢測是否超過容量的C語言方法：

static int checkStringLength(client *c, long long size) {
    // 字符串長度為512M，如果超過，直接拋出錯誤，結束函數
    if (size > 512*1024*1024) {
        addReplyError(c,"string exceeds maximum allowed size (512MB)");
        return C_ERR;
    }
    return C_OK;
}

圖片描述

（SDS重新分配空間示意圖）

如上圖所示，我們在 "mooc" 的基礎上添加了’s’的字符，并且預留了一個字符的空間，所以free=1，

規則二：惰性空間釋放規則

當調用 SDS API縮短 SDS 字符串時，程序不會立即回收內存空閑的字節，而是使用上述結構體中的free字段將空閑字節記錄下來，將來如果有修改操作，則直接使用已分配的空閑內存，避免了重新分配。

2.1.5 二進制安全

SDS可以存儲任何二進制數據，包括'\0'，因為判斷 SDS 是否達到字符串終點不是通過末尾'\0'判斷，而是通過len字段值。

傳統 C 語言則是遇到'0'則判定字符串結束，所以傳統字符串不能存儲圖片、視頻等文件（遇到編碼'\0'則數據會被截斷）

3. 小結

本章節介紹了 Redis 最基礎的 SDS 數據結構，有兩點需要重點關注：

（1）Redis底層對 C 語言自帶數據結構進行了封裝優化。

（2）Redis 作為內存數據庫，不能避免頻繁的修改和查詢操作，所以在設計最初，各種數據結構和操作實現的核心目的就是為了追求速度，遍歷和內存分配等耗時的操作是難以忍受的。