Redis学习（4）——字典

1、Redis字典介绍

Redis字典使用散列表最为底层实现，一个散列表里面有多个散列表节点，每个散列表节点就保存了字典中的一个键值对。

字典的数据结构如下所示：

typedef struct dict{
         //类型特定函数
         void *type;
         //私有数据
         void *privdata;
         //哈希表-见2.1.2
         dictht ht[2];
         //rehash 索引 当rehash不在进行时 值为-1
         int trehashidx; 
}dict;

type属性和privdata属性是针对不同类型的键值对，为创建多态字典而设置的。

type属性是一个指向dictType结构的指针，每个dictType用于操作特定类型键值对的函数，Redis会为用途不同的字典设置不同的类型特定函数。
privdata属性则保存了需要传给给那些类型特定函数的可选参数。

typedef struct dictType
{
         //计算哈希值的函数 
         unsigned int  (*hashFunction) (const void *key);
         //复制键的函数
         void *(*keyDup) (void *privdata,const void *key);
         //复制值的函数
         void *(*keyDup) (void *privdata,const void *obj);
          //复制值的函数
         void *(*keyCompare) (void *privdata,const void *key1, const void *key2);
         //销毁键的函数
         void (*keyDestructor) (void *privdata, void *key);
         //销毁值的函数
         void (*keyDestructor) (void *privdata, void *obj);
}dictType;

ht属性是一个包含两个项的数组，数组中的每个项都是一个dictht哈希表，一般情况下，字典只使用ht[0] 哈希表, ht[1]哈希表只会对ht[0]哈希表进行rehash时使用。
rehashidx记录了rehash目前的进度，如果目前没有进行rehash，值为-1。

2、散列表

typedef struct dictht
{
         //哈希表数组，C语言中，*号是为了表明该变量为指针，有几个* 号就相当于是几级指针，这里是二级指针，理解为指向指针的指针
         dictEntry **table;
         //哈希表大小
         unsigned long size;
         //哈希表大小掩码，用于计算索引值
         unsigned long sizemask;
         //该哈希已有节点的数量
         unsigned long used;
}dictht;

table属性是一个数组，数组中的每个元素都是一个指向dict.h/dictEntry结构的指针，每个dictEntry结构保存着一个键值对
size属性记录了哈希表的大小，也是table数组的大小
used属性则记录哈希表目前已有节点(键值对)的数量
sizemask属性的值总是等于 size-1(从0开始)，这个属性和哈希值一起决定一个键应该被放到table数组的哪个索引上面（索引下标值）。

2.1、散列表节点

//哈希表节点定义dictEntry结构表示，每个dictEntry结构都保存着一个键值对。
typedef struct dictEntry
{
         //键
         void *key;
         //值
         union{
           void *val;
            uint64_tu64;
            int64_ts64;
            }v;
         // 指向下个哈希表节点，形成链表
         struct dictEntry *next;
}dictEntry;

key属性保存着键值中的键，而v属性则保存着键值对中的值，其中键值(v属性)可以是一个指针，或uint64_t整数，或int64_t整数。 next属性是指向另一个哈希表节点的指针，这个指针可以将多个哈希值相同的键值对连接在一起，解决键冲突问题。

2.2、redis如何解决散列冲突？

当有两个或以上的键被分配到散列表数组同一个索引上时，就发生了键冲突。Redis使用链表法解决散列冲突。每个散列表节点都有一个next指针，多个散列表节点next可以用next指针构成一个单向链表，被分配到同一个索引上的多个节点可以使用这个单向链表连接起来。

如图所示,当键k0和k1的经过散列函数得到索引值都为1时，就会使用next指针将两个节点连接起来。而由于节点没有指向链尾的指针，因此新的节点总是插入到链表的头部，排在已有节点的前面。

2.3、Redis rehash

随着操作的进行，散列表中保存的键值对会也会不断地增加或减少，为了保证负载因子维持在一个合理的范围，当散列表内的键值对过多或过少时，内需要定期进行rehash，以提升性能或节省内存。Redis的rehash的步骤如下:

为字典的ht[1]散列表分配空间，这个空间的大小取决于要执行的操作以及ht[0]当前包含的键值对数量(即:ht[0].used的属性值)

扩展操作：ht[1]的大小为第一个大于等于ht[0].used*2的2的n次方幂。如:ht[0].used=3则ht[1]的大小为8，ht[0].used=4则ht[1]的大小为8。
收缩操作: ht[1]的大小为第一个大于等于ht[0].used的2的n次方幂。

将保存在ht[0]中的键值对重新计算键的散列值和索引值，然后放到ht[1]指定的位置上。

将ht[0]包含的所有键值对都迁移到了ht[1]之后，释放ht[0],将ht[1]设置为ht[0],并创建一个新的ht[1]哈希表为下一次rehash做准备。

rehash操作需要满足以下条件:

服务器目前没有执行BGSAVE(rdb持久化)命令或者BGREWRITEAOF(AOF文件重写)命令，并且散列表的负载因子大于等于1。
服务器目前正在执行BGSAVE命令或者BGREWRITEAOF命令，并且负载因子大于等于5。
当负载因子小于0.1时，程序自动开始执行收缩操作。

Redis这么做的目的是基于操作系统创建子进程后写时复制技术，避免不必要的写入操作。(有关BGSAVE、BGREWRITEAOF以及写时复制会在后续持久化一文详细介绍)。

2.4、渐进式rehash

为了解决一次性扩容耗时过多的情况，可以将扩容操作穿插在插入操作的过程中，分批完成。当负载因子触达阈值之后，只申请新空间，但并不将老的数据搬移到新散列表中。当有新数据要插入时，将新数据插入新散列表中，并且从老的散列表中拿出一个数据放入到新散列表。每次插入一个数据到散列表，都重复上面的过程。经过多次插入操作之后，老的散列表中的数据就一点一点全部搬移到新散列表中了。这样没有了集中的一次一次性数据搬移，插入操作就都变得很快了。

Redis为了解决这个问题采用渐进式rehash方式。以下是Redis渐进式rehash的详细步骤:

为 ht[1] 分配空间，让字典同时持有 ht[0] 和 ht[1] 两个哈希表。
在字典中维持一个索引计数器变量 rehashidx ，并将它的值设置为 0 ，表示 rehash 工作正式开始。
在 rehash 进行期间，每次对字典执行添加、删除、查找或者更新操作时，程序除了执行指定的操作以外，还会顺带将 ht[0] 哈希表在 rehashidx 索引上的所有键值对 rehash 到 ht[1] ，当 rehash 工作完成之后，程序将 rehashidx 属性的值增一。
随着字典操作的不断执行，最终在某个时间点上， ht[0] 的所有键值对都会被 rehash 至 ht[1] ，这时程序将 rehashidx 属性的值设为 -1 ，表示 rehash 操作已完成。

说明:

1.因为在进行渐进式 rehash 的过程中，字典会同时使用 ht[0] 和 ht[1] 两个哈希表，所以在渐进式 rehash 进行期间，字典的删除（delete）、查找（find）、更新（update）等操作会在两个哈希表上进行。

2. 在渐进式 rehash 执行期间，新添加到字典的键值对一律会被保存到 ht[1] 里面，而 ht[0] 则不再进行任何添加操作：这一措施保证了 ht[0] 包含的键值对数量会只减不增，并随着 rehash 操作的执行而最终变成空表。