HASH表设计与源码分析

  • 扩容操作
  • 扩容大小
  • 渐进式rehash
  • 何时触发渐进式rehash

Redis提供了传统的hash表实现,但是对其中的内存管理提供了扩充,提供了扩容/缩容处理,为了尽可能的高效,在扩容缩容的过程中如果hash数据量非常多,将是一个堵塞的操作,redis设计了渐进式rehash来将rehash操作分散到每次对hash的操作中。

扩容

static int _dictExpandIfNeeded(dict *d)
{
    /* Incremental rehashing already in progress. Return. */
    if (dictIsRehashing(d)) return DICT_OK;

    /* If the hash table is empty expand it to the initial size. */
    if (d->ht[0].size == 0) return dictExpand(d, DICT_HT_INITIAL_SIZE);/*当hash表的大小为0时,触发扩容*/

    /* If we reached the 1:1 ratio, and we are allowed to resize the hash
     * table (global setting) or we should avoid it but the ratio between
     * elements/buckets is over the "safe" threshold, we resize doubling
     * the number of buckets. */
    if (d->ht[0].used >= d->ht[0].size &&
        (dict_can_resize ||
         d->ht[0].used/d->ht[0].size > dict_force_resize_ratio) &&
        dictTypeExpandAllowed(d))/*当hash表的数据量大于hash表的大小并且允许进行resize(redis当前不在进行RDB备份或者AOF重写)时,或者当hash表的数据量大于hash表大小的5倍时*/
    {
        return dictExpand(d, d->ht[0].used + 1);
    }
    return DICT_OK;
}
int _dictExpand(dict *d, unsigned long size, int* malloc_failed)
{
    if (malloc_failed) *malloc_failed = 0;

    /* the size is invalid if it is smaller than the number of
     * elements already inside the hash table */
    if (dictIsRehashing(d) || d->ht[0].used > size)
        return DICT_ERR;

    dictht n; /* the new hash table */
    unsigned long realsize = _dictNextPower(size);/*计算新的数组大小,数组大小是大于hash元素的2的n次方*/

    /* Rehashing to the same table size is not useful. */
    if (realsize == d->ht[0].size) return DICT_ERR;

    /* Allocate the new hash table and initialize all pointers to NULL */
    n.size = realsize;
    n.sizemask = realsize-1;
    if (malloc_failed) {
        n.table = ztrycalloc(realsize*sizeof(dictEntry*));
        *malloc_failed = n.table == NULL;
        if (*malloc_failed)
            return DICT_ERR;
    } else
        n.table = zcalloc(realsize*sizeof(dictEntry*));

    n.used = 0;

    /* Is this the first initialization? If so it's not really a rehashing
     * we just set the first hash table so that it can accept keys. */
    if (d->ht[0].table == NULL) {
        d->ht[0] = n;
        return DICT_OK;
    }

    /* Prepare a second hash table for incremental rehashing */
    d->ht[1] = n;
    d->rehashidx = 0;
    return DICT_OK;
}

static unsigned long _dictNextPower(unsigned long size)
{
    unsigned long i = DICT_HT_INITIAL_SIZE;/*初识容量4*/

    if (size >= LONG_MAX) return LONG_MAX + 1LU;
    while(1) {
        if (i >= size)
            return i;
        i *= 2;
    }
}

扩容条件

1、当前hash表的元素大于hash表的大小,并且此时时允许resize的(当前没有进行着RDB的备份和AOF的重写)。
2、或者当前hash表的元素大于hash表数量的5倍。

扩容大小

大于hash表元素个数两倍的2的n次幂。

渐进式rehash

static void _dictRehashStep(dict *d) {
    if (d->pauserehash == 0) dictRehash(d,1);
}

nt dictRehash(dict *d, int n) {/*n 表示本次迁移的bucket的数量*/
    int empty_visits = n*10; /*表示本次迁移过程允许的最大的访问到空的bucket的次数 */
    if (!dictIsRehashing(d)) return 0;

    while(n-- && d->ht[0].used != 0) {
        dictEntry *de, *nextde;
        /*rehashidx表示迁移的bucket下标*/
        /* Note that rehashidx can't overflow as we are sure there are more
         * elements because ht[0].used != 0 */
        assert(d->ht[0].size > (unsigned long)d->rehashidx);
        while(d->ht[0].table[d->rehashidx] == NULL) {
            d->rehashidx++;
            if (--empty_visits == 0) return 1;
        }
        de = d->ht[0].table[d->rehashidx];
        /* Move all the keys in this bucket from the old to the new hash HT */
        while(de) {
            uint64_t h;

            nextde = de->next;
            /* Get the index in the new hash table */
            h = dictHashKey(d, de->key) & d->ht[1].sizemask;
            de->next = d->ht[1].table[h];
            d->ht[1].table[h] = de;
            d->ht[0].used--;
            d->ht[1].used++;
            de = nextde;
        }
        d->ht[0].table[d->rehashidx] = NULL;
        d->rehashidx++;
    }

    /* Check if we already rehashed the whole table... */
    if (d->ht[0].used == 0) {/*如果历史hash表的元素全部迁移完成,则释放历史hash表的内存*/
        zfree(d->ht[0].table);
        d->ht[0] = d->ht[1];
        _dictReset(&d->ht[1]);
        d->rehashidx = -1;
        return 0;
    }

    /* More to rehash... */
    return 1;
}

何时触发渐进式rehash

  • dictAddRaw(dict *d, void *key, dictEntry **existing)
  • dictGenericDelete(dict *d, const void *key, int nofree)
  • *dictFind(dict *d, const void *key)
  • *dictGetRandomKey(dict *d)
  • dictGetSomeKeys(dict *d, dictEntry **des, unsigned int count)
    几乎是在hash的所有数据操作过程调用中,都会在进行操作前先判断当前hash是否在进行rehash操作再进行rehash操作。

总结

redis对于hash表的设计很常规,但是扩展实现了扩缩容操作。为了减少扩缩容的时间消耗,redis采用的分治法,将hash扩容之后的数据迁移工作分散到对hash的操作中,从而防止了单次数据迁移耗时高的问题,但是带来的弊端是会存在比单次完成数据迁移更多的内存消耗,因为扩容时会存量两个数组内存的消耗。

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