Redis设计与实现笔记(一) | 字符串

本书侧重于讲解redis的实现，对实践案例等讲解不多。Redis是开源的数据库，源代码 https://github.com/antirez/redis 官网 https://redis.io/ 有需要的小伙伴，可以去看看。

总所周知，redis所支持的基本数据类型有五种：字符串、列表、哈希、集合、有序集合。本笔记针对字符串进行讲解。Redis是使用C语言开发的，kv型的数据库。那么，Redis的字符串与C的字符串有哪些区别呢？又是怎么实现的呢？

1.1 与C字符串的区别

在 C 语言中，字符串实际上是使用空字符 '\0' 终止的一维字符数组。在C语言中，初始化一个字符串：

               char greeting[] = "Hello";

以下是 C/C++ 中定义的字符串的内存表示：

C/C++ ä¸çåç¬¦ä¸²è¡¨ç¤º

Redis的字符串则不然，它是使用SDS(simple dynamic string ，简单动态字符串)作为默认的字符串类型。在Redis中，只会在一些不需要修改的字符串字面量，使用C语言的字符串实现，这些字符串主要用于展示、日志、提示等，例如，开启redis服务器的提示，如下： 2026:M 10 Oct 10:10:14.134 # Server initialized 2026:M 10 Oct 10:10:14.135 * DB loaded from disk: 0.002 seconds 2026:M 10 Oct 10:10:14.135 * Ready to accept connections

对于在Redis中需要修改的字符串，而不是字符串字面量的话，redis就会用SDS表示字符串。例如在Redis数据库中，字符串的键值对都是使用SDS实现的。这些是Redis实际存储的内容，是可被改变的。例如：

在数据库中，键name 会作为一个SDS进行存储，值“tyltr”也会作为一个SDS进行存储。

1.2 SDS是什么鬼？

在源代码中，sds.h 文件中，定义了一个sdshdr结构体表示一个SDS值

struct sdshdr{
    //SDS中保存字符串的长度
    int len;

    // buf中未使用的字节长度
    int free;

    // 字节数组，保存字符串，实质上buf是C语言的字符串
    char buf[];
    
}

结构图示例：(图 1.2.1)

由上图可以看出，free 为 0 表明buf内可分配的空间为0；len表示字符串“Redis”保的长度，不包括空字符“\0”；buf是一个C语言字符串。

这样设计有什么好处呢？

获取字符串长度的复杂度为常数复杂度：C语言中，获取一个字符串的长度，需要遍历整个数组,复杂度O(n);在Redis中可直接访问len，获取字符串长度，复杂度O(1)

杜绝了溢出现象：在Redis修改字符串时，先检测分配的空间是否能满足修改的需求。如果不满足，API则自动申请内存，以满足修改需求，再进行修改操作

减少了字符串修改时的内存分配次数，详见 1.3 内存分配的优化策略

二进制安全性(有些理论化，一般这个特性用不到)

1.3 内存分配的优化策略

内存分配的优化策略主要有两种：空间预分配、惰性空间释放

1.3.1 空间预分配

空间预分配，用于SDS字符串的增长优化。在C语言中，每次修改字符串的长度，都会执行内存的重新分配。而SDS在执行字符串的增长的操作时，不仅分配本次所需的内存空间，而且预分配出一些未使用的空间，以备下次执行字符串的增长操作。Redis的这种预分配策略，可以减少因字符串增长操作而带来的内存分配次数(把连续增长N次的字符串所需的内存分配次数必定也是N次，减低到最多N次内存分配次数)

1.3.2 惰性空间释放

惰性空间释放，用于SDS字符串的缩短优化。在SDS中，数组buf中的字符串缩短时，Redis并不立即执行free命令，进行内存的释放，而是把空余的空间数量记录在sdshdr结构体的free字段中，以备再次使用，减少空间分配的操作。对于数组(数组是物理连续的，buf实质就是C语言的char 数组)来说，空间分配是耗时操作，所以减少空间的分配，是提升性能的一个途径。但这势必会造成内存的空间利用率降低。笔者在读一些资料时，看到一些作者是这样写道的：这是通过降低内存利用率来保证性能的措施，是一种“折中”的妥协和无奈。而笔者却不这么认为。通过这个降低内存利用率的方式换取了性能上的提升，四两拨千斤。这是一种“以小易大”的智慧，而不是“妥协和无奈”

1.4 总结

redis是采用SDS作为默认方式存储字符串的
redis的字符串内存分配的优化策略：空间预分配、惰性空间释放
redis的SDS是由sdshdr结构体实现，sdshdr结构体中由三部分信息：
1. len：字符串长度；
2. free ：SDS中的可用空间;
3. buf：SDS字符串的实质存储在buf数组内。
SDS优势
1. 获取字符串长度的复杂度为O(1)
2. 杜绝了溢出现象
3. 减少了字符串修改时的内存分配次数
4. 二进制安全性