数据结构与对象——字符串对象

字符串对象的编码可以是int、raw或embstr。

不同的编码对应的场景

1.若一个字符串对象保存的是整数值,并且这个整数值可以用long类型来表示,那么字符串对象会将整数值保存在字符串对象结构的ptr属性中(将void*改为long),并将字符串对象的编码设置为int。(对于int编码的字符串对象来说,若对对象执行了一些命令,使得这个对象保存的不再是整数值,那么字符串对象的编码将从int变为raw。例:APPEND命令)


redisObject结构


2.如果字符串对象保存的是一个字符串值,且这个字符串值的长度大于等于45字节,那么字符串对象将使用一个简单动态字符串(SDS)来保存这个字符串值,并将对象的编码设置为raw。若小于,那么字符串对象将使用embstr编码(只读)的方式保存这个字符串值。(除可用long类型保存的整数,其他都用raw/embstr


embstr

embstr是专门用于保存短字符串的一种优化编码方式。该编码和raw编码一样,使用redisObject结构和sdshdr结构来表示字符串对象,但raw编码会调用两次内存分配函数来分别创建redisObject和sdshdr,而embstr编码则通过调用一次内存分配函数来分配一块连续的空间,空间中依次包含redisObject和sdshdr两个结构。

embstr是只读的。因为对embstr编码的字符串对象执行任何修改命令时,程序会先将对象的编码从embstr转为raw,然后再执行修改命令,因此,embstr编码的字符串对象在执行修改命令后,总会变成一个raw编码的字符串对象。


raw编码分为两个结构


embstr编码的字符串对象

使用embstr编码的字符串对象来保存短字符串值的好处:

1.embstr编码将创建字符串对象所需的内存分配次数从raw编码的两次降低为一次。

2.释放embstr编码的字符串对象只需要一次内存释放函数,而raw编码需要两次。

3.因为embstr编码的字符串对象的所有数据都保存在一块连续的内存里面,所以这种编码的字符串对象比raw编码的字符串能够更好地利用缓存带来的优势



SDS(简单动态字符串)

SDS是Redis自己构建的一种抽象类型,用作Redis的默认字符串表示。

SDS除了用来保存数据库中的字符串值之外,还被用作缓冲区(buffer):AOF模块中的AOF缓冲区,以及客户端状态中的输入缓冲区。

sds定义

struct sdshdr{

//记录buf数组中已使用字节的数量,等于SDS所保存字符串的长度

int len;

//记录buf数组中未使用字节的数量

int free;

//字节数组,用于保存字符串

char buf[];

};



sds

free属性为0,说明该SDS没有分配任何未使用空间

len属性为5,说明该SDS保存了一个5字节长的字符串

buf属性是一个char类型数组,数组前五个字节分别是r e d i s ,最后一个字节保存了空字符’\0‘。保存空字符的1字节空间不计算在SDS的len属性中。为空字符分配额外的1字节空间以及添加空字符到字符串末尾的操作由SDS函数自动完成。


SDS的优点(和C字符串的区别)


1.常数复杂度获取字符串长度

与C字符串不同,因为SDS在len属性中记录了SDS本身的长度,所以获取一个SDS长度的复杂度为O(1)。

而且设置和更新SDS长度的工作是由SDS的API在执行时自动完成,使用SDS无须进行任何手动修改长度工作。

通过使用SDS而不是C字符串,Redis将获取字符串长度所需的复杂度从O(N)降低到了O(1)。

2.杜绝缓冲区溢出

当SDS API需要对SDS进行修改时,API会先检查SDS的空间是否满足修改所需的要求,如果不满足,API会自动将SDS的空间扩展至执行修改所需的大小,然后才执行实际的修改操作

3.减少修改字符串时带来的内存重分配次数

SDS通过未使用空间解除了字符串长度和底层数组长度之间的关联:在SDS中,buf数组的长度不一定就是字符数量+1,数组里可以包含未使用的字节,而这些字节的数量就由SDS的free属性记录

通过未使用空间,SDS实现了空间预分配惰性空间释放两种优化策略。

1.空间预分配

空间预分配用于优化SDS的字符串增长操作:当SDS的API对一个SDS进行修改,并且需要对SDS进行空间扩展的时候,程序不仅会为SDS分配修改所需要的空间,还会为SDS分配额外的未使用空间。

额外分配的未使用空间数量由下列公式决定:

1.1如果对SDS进行修改后,SDS的长度(len)将小于1MB,那么程序分配和len属性同样大小的未使用空间,这时SDS len属性的值将和free属性的值相同。

1.2如果对SDS进行修改后,SDS的长度(len)将大于等于1MB,那么程序会分配1MB的未使用空间。

通过空间预分配策略,Redis可以减少连续执行字符串增长操作所需的内存重分配次数。

在扩展SDS空间之前,SDS API会先检查未使用空间是否足够,如果足够,API直接使用未使用空间,无须执行内存重分配。通过预分配策略,SDS将连续增长N次字符串所需的内存重分配次数从必定N次降低为最多N次。



2.惰性空间释放

惰性空间释放用于优化SDS的字符串缩短操作:当SDS的API需要缩短SDS保存的字符串时,程序并不立即使用内存重分配来回收缩短后多出来的字节,而是使用free属性将这些字节的数量记录下来,等待以后使用。即将需要缩短的部分字节加在free属性中。便于之后使用。

通过惰性空间释放策略,SDS避免了缩短字符串时所需的内存重分配操作,并为将来可能有的增长操作提供优化。与此同时,SDS提供了相应的API,这样可以在有需要的时候,真正释放SDS的未使用空间,无需担心惰性空间释放策略会造成内存浪费。



4.二进制安全

SDS的buf属性称为字节数组——Redis使用buf数组保存一系列二进制数据

使用二进制安全的SDS,不仅可以保存文本数据,还可以保存任意格式的二进制数据。

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