有趣的Redis：数据结构详解-sds

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介绍

我们知道Redis是一个键值对数据库，当你执行如下命令时

set testKey testValue;
rpush fruits banana apple;

其中的键就是用sds（Simple Dynamic String，简单动态字符串）来实现的，redis中string类的值也是用SDS实现的（如上面的testValue）。我们来看一下SDS的底层数据结构是啥？

3.0版本及以前

struct sdshdr {
    
    
	// buf数组中已使用字符的数量
    unsigned int len;
    // buf数组中未使用字符的数量
    unsigned int free;
    // 字符数组，用来保存字符串
    char buf[];
};

如下是一个sds的示例
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free：free为0，表示未使用的空间
len：这个sds保存了5字节长的字符串
buf：char类型的数组，前5个字节是字符串，后一个字节是\0，表示结尾，\0不计入总长度

当要存的字符串变大或者变小的时候，会造成频繁的内存分，进而影响性能。所以Redis通过空间预分配和惰性空间释放策略来避免内存的频繁分配

空间预分配

当sds的内容变大时，程序不仅会为sds分配修改所需要的空间，还会为sds分配额外的未使用的空间。

对sds进行修改之后，sds的长度（即len属性的值）小于1MB，程序分配和len属性同样大小的未使用空看，即sds len属性的值和free属性的值相同
对sds进行修改之后，sds的长度（即len属性的值）大于等于1MB，程序会分配1MB的未使用空间

惰性空间释放

当sds内容变小时，程序并不会释放缩短后剩余的空间，只是修改free属性，将未使用字符数量记录下来，等以后使用

3.0版本以后

上面的结构有改进的空间吗？如果让你来写sds，你会怎么写呢？

不同长度的字符串是否有必要占用相同大小的头部？

当字符串很小的时候，我们还得额外的使用8个字节（len和free各占4个字节），感觉有点太浪费了。

我们是否可以根据字符串的长度，来决定len和free占用的字节数呢？比如短字符串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。

那我们如何区分这3种情况呢？

很简单，再加一个一字节的字段标明类型就行了

所以在redis 3.2中，有如下5种类型

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[];
};

len：buf数组中已使用字符的数量
alloc：buf数组中已分配字符的数量
flags：标识当前结构体的类型，低3位用作标识位，高5位预留（3个字节能保存的种类数为2的3次方即8，sds总共的种类数为5，所以用低三位就能用标识种类）
buf：字符数组，用来保存字符串

可以看到sdshdr5比较特殊，并没有len和alloc两个字段，那它是如何存已使用和已分配的数量呢？

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sdshdr5中，flags占用一个字节，低3位表示type，高5位表示长度，能表示的区间长度为（0～31，即2⁵-1）

sdshdr5并没有存在alloc的值，因此它不会进行空间预分配和惰性空间空间释放，长度变动每次都重新申请内存

当字符串长度大于31时，flags的后5位就存不下了，所以我们就将len和free单独存放