Redis的数据类型和数据结构

Alleria Windrunner 2021-10-30

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上一篇我们以自己实现一个键值数据库SimpleKV为出发点，一步一步的拆解了键值数据库的整体结构，最后我们按照这个思路给出了Redis的整体架构。本篇我们再一起来看一下Redis的数据类型和数据结构。你肯定会问为什么有数据类型和数据结构区分？Redis的数据类型不就是：String（字符串）、List（列表）、Hash（哈希）、Set（集合）和 Sorted Set（有序集合）吗？数据结构又是啥意思呢？这里我说明一下数据类型指的就是上面的这些，而数据结构指的是这些数据类型的底层实现。

可以这么说Redis 能有这么突出的表现，一方面，这是因为它是内存数据库，所有操作都在内存上完成，内存的访问速度本身就很快。另一方面，这要归功于它的数据结构。这是因为，键值对是按一定的数据结构来组织的，操作键值对最终就是对数据结构进行增删改查操作，所以高效的数据结构是 Redis 快速处理数据的基础。

简单来说，底层数据结构一共有 6 种，分别是：

简单动态字符串
双向链表
压缩列表
哈希表
跳表
整数数组

它们和数据类型的对应关系如下图所示：

可以看到，String 类型的底层实现只有一种数据结构，也就是简单动态字符串。而 List、Hash、Set 和 Sorted Set 这四种数据类型，都有两种底层实现结构。通常情况下，我们会把这四种类型称为集合类型，它们的特点是一个键对应了一个集合的数据。

看到这里，其实有些问题已经值得我们去考虑了：

这些数据结构都是值的底层实现，键和值本身之间用什么结构组织？
为什么集合类型有那么多的底层结构，它们都是怎么组织数据的？

接下里我们就一起来搞清楚这些问题！

键和值用什么结构组织？

首先我们来看第一个问题：键和值本身之间用什么结构组织？为了实现从键到值的快速访问，Redis 使用了一个哈希表来保存所有键值对。

一个哈希表，其实就是一个数组，数组的每个元素称为一个哈希桶。所以，我们常说，一个哈希表是由多个哈希桶组成的，每个哈希桶中保存了键值对数据。

看到这里，你可能会问了：“如果值是集合类型的话，作为数组元素的哈希桶怎么来保存呢？”其实，哈希桶中的元素保存的并不是值本身，而是指向具体值的指针。这也就是说，不管值是 String，还是集合类型，哈希桶中的元素都是指向它们的指针。

在下图中，可以看到，哈希桶中的 entry 元素中保存了\*key和\*value指针，分别指向了实际的键和值，这样一来，即使值是一个集合，也可以通过*value指针被查找到。

因为这个哈希表保存了所有的键值对，所以，我也把它称为全局哈希表。哈希表的最大好处很明显，就是让我们可以用 O(1) 的时间复杂度来快速查找到键值对——我们只需要计算键的哈希值，就可以知道它所对应的哈希桶位置，然后就可以访问相应的 entry 元素。

你看，这个查找过程主要依赖于哈希计算，和数据量的多少并没有直接关系。也就是说，不管哈希表里有 10 万个键还是 100 万个键，我们只需要一次计算就能找到相应的键。

但是这里有一个问题需要我们注意，那就是哈希冲突。当你往哈希表中写入更多数据时，哈希冲突是不可避免的问题。这里的哈希冲突，也就是指，两个 key 的哈希值和哈希桶计算对应关系时，正好落在了同一个哈希桶中。

毕竟，哈希桶的个数通常要少于 key 的数量，这也就是说，难免会有一些 key 的哈希值对应到了同一个哈希桶中。

Redis 解决哈希冲突的方式，就是链式哈希。链式哈希也很容易理解，就是指同一个哈希桶中的多个元素用一个链表来保存，它们之间依次用指针连接。

如下图所示：entry1、entry2 和 entry3 都需要保存在哈希桶 3 中，导致了哈希冲突。此时，entry1 元素会通过一个\*next指针指向 entry2，同样，entry2 也会通过*next指针指向 entry3。这样一来，即使哈希桶 3 中的元素有 100 个，我们也可以通过 entry 元素中的指针，把它们连起来。这就形成了一个链表，也叫作哈希冲突链。

但是，这里依然存在一个问题，哈希冲突链上的元素只能通过指针逐一查找再操作。如果哈希表里写入的数据越来越多，哈希冲突可能也会越来越多，这就会导致某些哈希冲突链过长，进而导致这个链上的元素查找耗时长，效率降低。对于追求“快”的 Redis 来说，这是不太能接受的。

所以，Redis 会对哈希表做 rehash 操作。rehash 也就是增加现有的哈希桶数量，让逐渐增多的 entry 元素能在更多的桶之间分散保存，减少单个桶中的元素数量，从而减少单个桶中的冲突。那具体怎么做呢？

其实，为了使 rehash 操作更高效，Redis 默认使用了两个全局哈希表：哈希表 1 和哈希表 2。一开始，当你刚插入数据时，默认使用哈希表 1，此时的哈希表 2 并没有被分配空间。随着数据逐步增多，Redis 开始执行 rehash，这个过程分为三步：

给哈希表 2 分配更大的空间，例如是当前哈希表 1 大小的两倍；
把哈希表 1 中的数据重新映射并拷贝到哈希表 2 中；
释放哈希表 1 的空间。

到此，我们就可以从哈希表 1 切换到哈希表 2，用增大的哈希表 2 保存更多数据，而原来的哈希表 1 留作下一次 rehash 扩容备用。

这个过程看似简单，但是第二步涉及大量的数据拷贝，如果一次性把哈希表 1 中的数据都迁移完，会造成 Redis 线程阻塞，无法服务其他请求。此时，Redis 就无法快速访问数据了。

为了避免这个问题，Redis 采用了渐进式 rehash。

简单来说就是在第二步拷贝数据时，Redis 仍然正常处理客户端请求，每处理一个请求时，从哈希表 1 中的第一个索引位置开始，顺带着将这个索引位置上的所有 entries 拷贝到哈希表 2 中；等处理下一个请求时，再顺带拷贝哈希表 1 中的下一个索引位置的 entries。如下图所示：

这样就巧妙地把一次性大量拷贝的开销，分摊到了多次处理请求的过程中，避免了耗时操作，保证了数据的快速访问。

字符串和集合数据类型的操作效率

好了，到这里，你应该就能理解，Redis 的键和值是怎么通过哈希表组织的了。对于 String 类型来说，找到哈希桶就能直接增删改查了，所以，哈希表的 O(1) 操作复杂度也就是它的复杂度了。

但是，对于集合类型来说，即使找到哈希桶了，还要在集合中再进一步操作。接下来，我们来看集合类型的操作效率又是怎样的。

和 String 类型不同，一个集合类型的值，第一步是通过全局哈希表找到对应的哈希桶位置，第二步是在集合中再增删改查。那么，集合的操作效率和哪些因素相关呢？

首先，与集合的底层数据结构有关。例如，使用哈希表实现的集合，要比使用链表实现的集合访问效率更高。其次，操作效率和这些操作本身的执行特点有关，比如读写一个元素的操作要比读写所有元素的效率高。

接下来，我们就分别聊聊集合类型的底层数据结构和操作复杂度。

有哪些底层数据结构？

前面我们已经介绍过，集合类型的底层数据结构主要有 5 种：整数数组、双向链表、哈希表、压缩列表和跳表。

其中，哈希表的操作特点我们刚刚已经说过了；整数数组和双向链表也很常见，它们的操作特征都是顺序读写，也就是通过数组下标或者链表的指针逐个元素访问，操作复杂度基本是 O(N)，操作效率比较低；压缩列表和跳表我们平时接触得可能不多，但它们也是 Redis 重要的数据结构，所以我们来重点看一下。

压缩列表实际上类似于一个数组，数组中的每一个元素都对应保存一个数据。和数组不同的是，压缩列表在表头有三个字段 zlbytes、zltail 和 zllen，分别表示列表长度、列表尾的偏移量和列表中的 entry 个数；压缩列表在表尾还有一个 zlend，表示列表结束。

在压缩列表中，如果我们要查找定位第一个元素和最后一个元素，可以通过表头三个字段的长度直接定位，复杂度是 O(1)。而查找其他元素时，就没有这么高效了，只能逐个查找，此时的复杂度就是 O(N) 了。

我们再来看下跳表。

有序链表只能逐一查找元素，导致操作起来非常缓慢，于是就出现了跳表。具体来说，跳表在链表的基础上，增加了多级索引，通过索引位置的几个跳转，实现数据的快速定位，如下图所示：

好了，到此关于Redis的数据类型和底层数据结构相关的知识掌握这些基本上我们日常的开发就足够应付了。

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