走近源码：压缩列表是怎样炼成的

  • 2020 年 3 月 11 日
  • 筆記

经过前面对Redis源码的了解，令人印象深刻的也许就是Redis各种节约内存手段。而Redis对于内存的节约可以说是费尽心思，今天我就再来介绍一种Redis为了节约内存而创造的存储结构——压缩列表（ziplist）。

存储结构

ziplist是zset和hash在元素数量较少时使用的一种存储结构。它的特点存储于一块连续的内存，元素与元素之间没有空隙。我们可以用DEBUG OBJECT命令来查看一个zset的编码格式：

127.0.0.1:6379> ZADD db 1.0 mysql 2.0 mongo 3.0 redis  (integer) 3  127.0.0.1:6379> DEBUG OBJECT db  Value at:0x7f5bf1908070 refcount:1 encoding:ziplist serializedlength:39 lru:9589668 lru_seconds_idle:12

那么ziplist究竟是一种怎样的结构的，话不多说，直接看图。

ZIPLIST OVERALL LAYOUT

ziplist结构

接下来我们挨个解释一下每一部分存储的内容：

  • zlbytes：32位无符号整数，存储的是包括它自己在内的整个ziplist所占用的字节数
  • zltail：32位无符号整数，存储的是最后一个entry的偏移量，用来快速定位最后一个元素
  • zllen：16位无符号整数，用于存储entry的数量，当元素数量大于216-2时，这个值就被设置为216-1。我们想知道元素的数量就需要遍历整个列表
  • entry：表示存储的元素
  • zlend：8位无符号整数，用于标识整个ziplist的结尾。它的值是255。
ZIPLIST ENTRIES

了解了ziplist的大概结构以后，我们剖析更深一层的entry的结构。

对于每个entry都有两个前缀

  • prevlen：表示前一个元素的长度，它与zltail字段结合使用可以实现快速的从后向前定位元素
  • encoding：表示元素的编码格式，它用来表示元素是整数还是字符串，如果是字符串，也表示字符串的长度
  • entry-data：元素的数据，它并不是一定存在，对于某些编码而言，编码本身也是数据，因此这一部分可以省略

这里要解释一点，prevlen是一个变长的整数，当前一个元素的长度小于254时，它仅需要一个字节（8位无符号整数）表示，如果元素的长度大于（或等于）254字节，prevlen就用5个字节来表示，其中第一个字节是254，后4个字节表示前一个元素的长度。

encoding字段决定了元素的内容。如果entry存储的是字符串，那么就通过encoding的前两位来区分不同长度的字符串，如果entry存储的内容是整数，那么前两位都会被设置为1，再后面两位用来区分整数的类型。

  1. |00pppppp|：字符串长度小于63字节，pppppp是6位无符号整数，用来表示字符串长度
  2. |01pppppp|qqqqqqqq|：字符串长度小于等于16383字节，后面14位表示字符串长度
  3. |10000000|qqqqqqqq|rrrrrrrr|ssssssss|tttttttt|：字符串长度大于等于16384字节，后4个字节表示字符串长度
  4. |11000000|：16位整数，后面跟2个字节存储整数
  5. |11010000|：32位整数，后面跟4个字节存储整数
  6. |11100000|：64位整数，后面跟8个字节存储整数
  7. |11110000|：24位整数，后面跟3个字节存储整数
  8. |11111110|：8位整数，后面跟1个字节存储整数
  9. |1111xxxx|：(xxxx 取值从0000到1101)表示0到12的整数，读到的xxxx减1为实际表示的整数。这就是前面提到的省略entry-data的情况
  10. |11111111|：ziplist的结束值，也就是zlend的值

说了这么多，也许你还是不太清楚ziplist存储的内容究竟要表示什么，我们还是来举一个栗子

[0f 00 00 00] [0c 00 00 00] [02 00] [00 f3] [02 f6] [ff]

这是一个实际的ziplist存储的内容，我们就一起来解读一下。

首先是4个字节的zlbytes，ziplist一共是15个字节，因此zlbytes的值是0x0f；接下来是4个字节的zltail，偏移量是12，因此zltail的值是0x0c；后两个字节是zllen，也就是一共两个元素；第一个元素的prevlen为00，0xf3表示元素值是2：1111 0011符合上述第9条，读到xxxx为3，需要减1，因此实际值是2；第二个元素同理，0xf6表示的值是5，最后0xff表示这个ziplist结束。

这时，我向这个ziplist中又加了一个元素，是一个字符串，请大家自行解读下面的entry（注意，只是entry）。友情提示：需要查询ASCII码表来解读

[02] [0b] [48 65 6c 6c 6f 20 57 6f 72 6c 64]

增加元素

了解了ziplist的存储之后，我们再来看一下ziplist是如何增加元素的。前面提到过，ziplist存储结构用于元素数量少的zset和hash。那么我们就以zset为例，一起追踪源码，了解ziplist增加元素的过程。

我们从ZADD命令执行的函数zaddCommand()开始。

void zaddCommand(client *c) {      zaddGenericCommand(c,ZADD_NONE);  }

它只是简单调用了zaddGenericCommand()函数，传入了客户端对象c和一个标志位，表示要执行ZADD命令，因为这个函数同样也是ZINCRBY要执行的函数（传入的标志是ZADD_INCR）。

而在zaddGenericCommand()函数中，首先对参数进行了处理，并且做了一些校验。

/* Lookup the key and create the sorted set if does not exist. */  zobj = lookupKeyWrite(c->db,key);  if (zobj == NULL) {      if (xx) goto reply_to_client; /* No key + XX option: nothing to do. */      if (server.zset_max_ziplist_entries == 0 ||          server.zset_max_ziplist_value < sdslen(c->argv[scoreidx+1]->ptr))      {          zobj = createZsetObject();      } else {          zobj = createZsetZiplistObject();      }      dbAdd(c->db,key,zobj);  } else {      if (zobj->type != OBJ_ZSET) {          addReply(c,shared.wrongtypeerr);          goto cleanup;      }  }

然后判断key是否存在，如果存在，验证数据类型；否则创建一个新的zset对象。这里可以看到，当

zset_max_ziplist_entries为0或者第一个元素的长度大于zset_max_ziplist_value时，创建zset对象，否则创建ziplist对象。创建好对象之后，就开始遍历元素，执行zsetAdd函数了：

for (j = 0; j < elements; j++) {      double newscore;      score = scores[j];      int retflags = flags;        ele = c->argv[scoreidx+1+j*2]->ptr;      int retval = zsetAdd(zobj, score, ele, &retflags, &newscore);      if (retval == 0) {          addReplyError(c,nanerr);          goto cleanup;      }      if (retflags & ZADD_ADDED) added++;      if (retflags & ZADD_UPDATED) updated++;      if (!(retflags & ZADD_NOP)) processed++;      score = newscore;  }

这个函数用来增加新元素或者更新元素的score。这个函数中判断了zset对象的编码方式，对压缩列表ziplist和跳跃列表skiplist分开处理，跳跃列表是zset的另一种编码方式，这个我们以后再介绍，本文我们只关注ziplist。

if (zobj->encoding == OBJ_ENCODING_ZIPLIST) {      unsigned char *eptr;        if ((eptr = zzlFind(zobj->ptr,ele,&curscore)) != NULL) {          /* NX? Return, same element already exists. */          if (nx) {              *flags |= ZADD_NOP;              return 1;          }            /* Prepare the score for the increment if needed. */          if (incr) {              score += curscore;              if (isnan(score)) {                  *flags |= ZADD_NAN;                  return 0;              }              if (newscore) *newscore = score;          }            /* Remove and re-insert when score changed. */          if (score != curscore) {              zobj->ptr = zzlDelete(zobj->ptr,eptr);              zobj->ptr = zzlInsert(zobj->ptr,ele,score);              *flags |= ZADD_UPDATED;          }          return 1;      } else if (!xx) {          /* Optimize: check if the element is too large or the list               * becomes too long *before* executing zzlInsert. */          zobj->ptr = zzlInsert(zobj->ptr,ele,score);          if (zzlLength(zobj->ptr) > server.zset_max_ziplist_entries)              zsetConvert(zobj,OBJ_ENCODING_SKIPLIST);          if (sdslen(ele) > server.zset_max_ziplist_value)              zsetConvert(zobj,OBJ_ENCODING_SKIPLIST);          if (newscore) *newscore = score;          *flags |= ZADD_ADDED;          return 1;      } else {          *flags |= ZADD_NOP;          return 1;      }  }

可以看到，这里首先调用zzlFind()函数查找对应的元素，如果元素存在，那么就判断是否包含参数NX或者是否是INCR操作。如果修改了元素的分数，则先删除原有的元素，再重新增加；如果元素不存在，就直接执行zzlInsert()函数，再insert之后，会判断是否需要改为跳跃列表存储。这里有两个条件：

  1. zset元素数量大于zset_max_ziplist_entries（默认128）
  2. 添加的元素长度大于zset_max_ziplist_value（默认64）

满足任意一个条件，zset都会使用跳跃列表来存储。

我们继续追踪zzlInsert()函数。

unsigned char *zzlInsert(unsigned char *zl, sds ele, double score) {      unsigned char *eptr = ziplistIndex(zl,0), *sptr;      double s;        while (eptr != NULL) {          sptr = ziplistNext(zl,eptr);          serverAssert(sptr != NULL);          s = zzlGetScore(sptr);            if (s > score) {              /* First element with score larger than score for element to be               * inserted. This means we should take its spot in the list to               * maintain ordering. */              zl = zzlInsertAt(zl,eptr,ele,score);              break;          } else if (s == score) {              /* Ensure lexicographical ordering for elements. */              if (zzlCompareElements(eptr,(unsigned char*)ele,sdslen(ele)) > 0) {                  zl = zzlInsertAt(zl,eptr,ele,score);                  break;              }          }            /* Move to next element. */          eptr = ziplistNext(zl,sptr);      }        /* Push on tail of list when it was not yet inserted. */      if (eptr == NULL)          zl = zzlInsertAt(zl,NULL,ele,score);      return zl;  }

它首先定位了zset的第一个元素，如果该元素不为空，就比较该元素的分数s与要插入的元素分数score，如果s>score，就插入到当前位置，如果分数相同，则比较元素（按字典序）。插入后，将后面的元素依次移到下一位。

unsigned char *zzlInsertAt(unsigned char *zl, unsigned char *eptr, sds ele, double score) {      unsigned char *sptr;      char scorebuf[128];      int scorelen;      size_t offset;        scorelen = d2string(scorebuf,sizeof(scorebuf),score);      if (eptr == NULL) {          zl = ziplistPush(zl,(unsigned char*)ele,sdslen(ele),ZIPLIST_TAIL);          zl = ziplistPush(zl,(unsigned char*)scorebuf,scorelen,ZIPLIST_TAIL);      } else {          /* Keep offset relative to zl, as it might be re-allocated. */          offset = eptr-zl;          zl = ziplistInsert(zl,eptr,(unsigned char*)ele,sdslen(ele));          eptr = zl+offset;            /* Insert score after the element. */          serverAssert((sptr = ziplistNext(zl,eptr)) != NULL);          zl = ziplistInsert(zl,sptr,(unsigned char*)scorebuf,scorelen);      }      return zl;  }

在zzlInsertAt()函数中，主要是调用了ziplistPush()或者ziplistInsert()将元素和分数插入列表尾部或中间。插入顺序是先插入元素，然后插入分数。

接下来就到了ziplist.c文件中，真正向压缩列表中插入元素了。关键代码在__ziplistInsert()函数中。

首先需要计算插入位置前一个元素的长度，存储到当前entry的prevlen。

if (p[0] != ZIP_END) {      ZIP_DECODE_PREVLEN(p, prevlensize, prevlen);  } else {      unsigned char *ptail = ZIPLIST_ENTRY_TAIL(zl);      if (ptail[0] != ZIP_END) {          prevlen = zipRawEntryLength(ptail);      }  }

这里区分了是否是在尾部插入元素的情况，如果是在尾部，就可以通过ziplist中的zltail字段直接定位。接下来就是尝试对插入的元素进行编码，判断是否可以存储为整数，如果不能，就按照字符串的编码格式来存储。

if (zipTryEncoding(s,slen,&value,&encoding)) {      /* 'encoding' is set to the appropriate integer encoding */      reqlen = zipIntSize(encoding);  } else {      /* 'encoding' is untouched, however zipStoreEntryEncoding will use the           * string length to figure out how to encode it. */      reqlen = slen;  }

这一步判断是节省内存的关键，它会使用我们前面介绍的尽量小的编码格式来进行编码。编码完成后就要计算当前entry的长度，包括prevlen、encoding和entry-data，并且需要保证后一个entry（如果有的话）的prevlen能够保存当前entry的长度。这里调用的是zipPrevLenByteDiff()函数，需要的prevlen的长度和现有的prevlen的长度的差值，也就是说如果返回为整数，表示需要更多空间。

在这之后就要调用zrealloc()来扩展空间了。这里有可能会在原来的基础上进行扩展，也有可能重新分配一块内存，然后将原来的ziplist整体迁移。如果ziplist占用较大内存时，整体迁移的代价是很高的。有了足够的空间之后，就是把当前位置的entry向后移一位了，然后要修改这个entry的prevlen。更新zltail。

if (nextdiff != 0) {      offset = p-zl;      zl = __ziplistCascadeUpdate(zl,p+reqlen);      p = zl+offset;  }

nextdiff是前面zipPrevLenByteDiff()函数的返回值，它不为0表示需要更多空间（小于0时被置为0）。这时后面的元素需要级联更新。所有的这些处理完毕之后，我们终于可以把要插入的entry写入当前位置了，并且将ziplist的长度加1。

级联更新

如果一个entry的长度小于254字节，那么后一个元素的prevlen就用一个字节来存储，否则就要用5个字节存储。当我们插入一个元素时，如果它的长度大于253字节，那么原来的entry就可能从1个字节变成5个字节，而如果由于这一变化导致这个entry的长度大于254字节，那么后面的元素也要更新。到后面甚至有可能导致重新分配内存的问题，所以级联更新是一件很可怕的事情。

接下来就通过源码，看一下级联更新的具体步骤。（查看ziplist.c文件的__ziplistCascadeUpdate函数）

首先，判断当前entry是否是最后一个，如果是，则跳出级联更新。

if (p[rawlen] == ZIP_END) break;

接着判断了下一个entry的prevlen长度是否发生变化，如果没有变化，也不用继续进行级联更新。

if (next.prevrawlen == rawlen) break;

而如果下一个entry的prevlen长度需要扩展，那么就先调用ziplistResize扩展内存，然后要更新zltail。要将后面的entry向后移动，再开始判断下一个entry是否需要更新。

if (next.prevrawlensize < rawlensize) {      /* The "prevlen" field of "next" needs more bytes to hold       * the raw length of "cur". */      offset = p-zl;      extra = rawlensize-next.prevrawlensize;      zl = ziplistResize(zl,curlen+extra);      p = zl+offset;        /* Current pointer and offset for next element. */      np = p+rawlen;      noffset = np-zl;        /* Update tail offset when next element is not the tail element. */      if ((zl+intrev32ifbe(ZIPLIST_TAIL_OFFSET(zl))) != np) {          ZIPLIST_TAIL_OFFSET(zl) =              intrev32ifbe(intrev32ifbe(ZIPLIST_TAIL_OFFSET(zl))+extra);      }        /* Move the tail to the back. */      memmove(np+rawlensize,              np+next.prevrawlensize,              curlen-noffset-next.prevrawlensize-1);      zipStorePrevEntryLength(np,rawlen);        /* Advance the cursor */      p += rawlen;      curlen += extra;  }

如果后面的entry的prevlen大于需要的长度呢，此时应该收缩prevlen，如果要进行收缩，那么可能会继续级联更新。这太麻烦了，所以这里选择了浪费一些空间，用5个字节的空间来存储1个字节可以存储的内容。如果prevlen的长度等于需要的长度，就直接更新内容。

if (next.prevrawlensize > rawlensize) {      /* This would result in shrinking, which we want to avoid.       * So, set "rawlen" in the available bytes. */      zipStorePrevEntryLengthLarge(p+rawlen,rawlen);  } else {      zipStorePrevEntryLength(p+rawlen,rawlen);  }    /* Stop here, as the raw length of "next" has not changed. */  break;

除了新增操作以外，删除操作也有可能引起级联更新。假设我们有3个entry是下面的情况

删除级联更新

我们可以知道，entry2的prevlen需要5个字节，entry3的prevlen只需要1个字节。而如果我们删除了entry2，那么entry3的prevlen就需要扩展到5个字节，这一操作就有可能引起级联更新，后面的情况和新增节点时一样。

总结

最后做一个总结：

  1. 压缩列表是zset和hash元素个数较少时的存储结构
  2. ziplist由zlbytes、zltail、zllen、entry、zlend这五部分组成
  3. 每个entry由prevlen、encoding和entry-data三部分组成
  4. ziplist增加元素时，需要重新计算插入位置的entry的prevlen（prevlen的长度为1字节或5字节），这一操作有可能引起级联更新。

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