探索Redis設計與實現3：Redis內部數據結構詳解——sds

2019 年 12 月 2 日
筆記

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該系列博文會告訴你如何從入門到進階，Redis基本的使用方法，Redis的基本數據結構，以及一些進階的使用方法，同時也需要進一步了解Redis的底層數據結構，再接着，還會帶來Redis主從複製、集群、分佈式鎖等方面的相關內容，以及作為緩存的一些使用方法和注意事項，以便讓你更完整地了解整個Redis相關的技術體系，形成自己的知識框架。

如果對本系列文章有什麼建議，或者是有什麼疑問的話，也可以關注公眾號【Java技術江湖】聯繫作者，歡迎你參與本系列博文的創作和修訂。

前言

本文是《Redis內部數據結構詳解》系列的第二篇，講述Redis中使用最多的一個基礎數據結構：sds。

不管在哪門編程語言當中，字符串都幾乎是使用最多的數據結構。sds正是在Redis中被廣泛使用的字符串結構，它的全稱是Simple Dynamic String。與其它語言環境中出現的字符串相比，它具有如下顯著的特點：

可動態擴展內存。sds表示的字符串其內容可以修改，也可以追加。在很多語言中字符串會分為mutable和immutable兩種，顯然sds屬於mutable類型的。二進制安全（Binary Safe）。sds能存儲任意二進制數據，而不僅僅是可打印字符。與傳統的C語言字符串類型兼容。這個的含義接下來馬上會討論。看到這裡，很多對Redis有所了解的同學可能已經產生了一個疑問：Redis已經對外暴露了一個字符串結構，叫做string，那這裡所說的sds到底和string是什麼關係呢？可能有人會猜：string是基於sds實現的。這個猜想已經非常接近事實，但在描述上還不太準確。有關string和sds之間關係的詳細分析，我們放在後面再講。現在為了方便討論，讓我們先暫時簡單地認為，string的底層實現就是sds。

在討論sds的具體實現之前，我們先站在Redis使用者的角度，來觀察一下string所支持的一些主要操作。

Redis string操作示例

以上這些操作都比較簡單，我們簡單解釋一下：

初始的字符串的值設為」tielei」。第3步通過append命令對字符串進行了追加，變成了」tielei zhang」。然後通過setbit命令將第53個bit設置成了1。bit的偏移量從左邊開始算，從0開始。其中第48～55bit是中間的空格那個字符，它的ASCII碼是0x20。將第53個bit設置成1之後，它的ASCII碼變成了0x24，打印出來就是』$』。因此，現在字符串的值變成了」tielei$zhang」。最後通過getrange取從倒數第5個位元組到倒數第1個位元組的內容，得到」zhang」。這些命令的實現，有一部分是和sds的實現有關的。下面我們開始詳細討論。

sds的數據結構定義

我們知道，在C語言中，字符串是以』』字符結尾（NULL結束符）的字符數組來存儲的，通常表達為字符指針的形式（char *）。它不允許位元組0出現在字符串中間，因此，它不能用來存儲任意的二進制數據。

我們可以在sds.h中找到sds的類型定義：

typedef char *sds; 肯定有人感到困惑了，竟然sds就等同於char *？我們前面提到過，sds和傳統的C語言字符串保持類型兼容，因此它們的類型定義是一樣的，都是char *。在有些情況下，需要傳入一個C語言字符串的地方，也確實可以傳入一個sds。但是，sds和char *並不等同。sds是Binary Safe的，它可以存儲任意二進制數據，不能像C語言字符串那樣以字符』』來標識字符串的結束，因此它必然有個長度字段。但這個長度字段在哪裡呢？實際上sds還包含一個header結構：

struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr5 {      unsigned char flags; /* 3 lsb of type, and 5 msb of string length */      char buf[];  };  struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr8 {      uint8_t len; /* used */      uint8_t alloc; /* excluding the header and null terminator */      unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits */      char buf[];  };  struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr16 {      uint16_t len; /* used */      uint16_t alloc; /* excluding the header and null terminator */      unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits */      char buf[];  };  struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr32 {      uint32_t len; /* used */      uint32_t alloc; /* excluding the header and null terminator */      unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits */      char buf[];  };  struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr64 {      uint64_t len; /* used */      uint64_t alloc; /* excluding the header and null terminator */      unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits */      char buf[];  };

sds一共有5種類型的header。之所以有5種，是為了能讓不同長度的字符串可以使用不同大小的header。這樣，短字符串就能使用較小的header，從而節省內存。

一個sds字符串的完整結構，由在內存地址上前後相鄰的兩部分組成：

一個header。通常包含字符串的長度(len)、最大容量(alloc)和flags。sdshdr5有所不同。一個字符數組。這個字符數組的長度等於最大容量+1。真正有效的字符串數據，其長度通常小於最大容量。在真正的字符串數據之後，是空餘未用的位元組（一般以位元組0填充），允許在不重新分配內存的前提下讓字符串數據向後做有限的擴展。在真正的字符串數據之後，還有一個NULL結束符，即ASCII碼為0的』』字符。這是為了和傳統C字符串兼容。之所以字符數組的長度比最大容量多1個位元組，就是為了在字符串長度達到最大容量時仍然有1個位元組存放NULL結束符。除了sdshdr5之外，其它4個header的結構都包含3個字段：

len: 表示字符串的真正長度（不包含NULL結束符在內）。  alloc: 表示字符串的最大容量（不包含最後多餘的那個位元組）。  flags: 總是佔用一個位元組。其中的最低3個bit用來表示header的類型。header的類型共有5種，在sds.h中有常量定義。  #define SDS_TYPE_5  0  #define SDS_TYPE_8  1  #define SDS_TYPE_16 2  #define SDS_TYPE_32 3  #define SDS_TYPE_64 4

sds的數據結構，我們有必要非常仔細地去解析它。

Redis dict結構舉例

上圖是sds的一個內部結構的例子。圖中展示了兩個sds字符串s1和s2的內存結構，一個使用sdshdr8類型的header，另一個使用sdshdr16類型的header。但它們都表達了同樣的一個長度為6的字符串的值：」tielei」。下面我們結合代碼，來解釋每一部分的組成。

sds的字符指針（s1和s2）就是指向真正的數據（字符數組）開始的位置，而header位於內存地址較低的方向。在sds.h中有一些跟解析header有關的宏定義：

#define SDS_TYPE_MASK 7  #define SDS_TYPE_BITS 3  #define SDS_HDR_VAR(T,s) struct sdshdr##T *sh = (void*)((s)-(sizeof(struct sdshdr##T)));  #define SDS_HDR(T,s) ((struct sdshdr##T *)((s)-(sizeof(struct sdshdr##T))))  #define SDS_TYPE_5_LEN(f) ((f)>>SDS_TYPE_BITS)

其中SDS_HDR用來從sds字符串獲得header起始位置的指針，比如SDS_HDR(8, s1)表示s1的header指針，SDS_HDR(16, s2)表示s2的header指針。

當然，使用SDS_HDR之前我們必須先知道到底是哪一種header，這樣我們才知道SDS_HDR第1個參數應該傳什麼。由sds字符指針獲得header類型的方法是，先向低地址方向偏移1個位元組的位置，得到flags字段。比如，s1[-1]和s2[-1]分別獲得了s1和s2的flags的值。然後取flags的最低3個bit得到header的類型。

由於s1[-1] == 0x01 == SDS_TYPE_8，因此s1的header類型是sdshdr8。由於s2[-1] == 0x02 == SDS_TYPE_16，因此s2的header類型是sdshdr16。有了header指針，就能很快定位到它的len和alloc字段：

s1的header中，len的值為0x06，表示字符串數據長度為6；alloc的值為0x80，表示字符數組最大容量為128。s2的header中，len的值為0x0006，表示字符串數據長度為6；alloc的值為0x03E8，表示字符數組最大容量為1000。（注意：圖中是按小端地址構成）在各個header的類型定義中，還有幾個需要我們注意的地方：

在各個header的定義中使用了__attribute__ ((packed))，是為了讓編譯器以緊湊模式來分配內存。如果沒有這個屬性，編譯器可能會為struct的字段做優化對齊，在其中填充空位元組。那樣的話，就不能保證header和sds的數據部分緊緊前後相鄰，也不能按照固定向低地址方向偏移1個位元組的方式來獲取flags字段了。

在各個header的定義中最後有一個char buf[]。我們注意到這是一個沒有指明長度的字符數組，這是C語言中定義字符數組的一種特殊寫法，稱為柔性數組（flexible array member），只能定義在一個結構體的最後一個字段上。

它在這裡只是起到一個標記的作用，表示在flags字段後面就是一個字符數組，或者說，它指明了緊跟在flags字段後面的這個字符數組在結構體中的偏移位置。而程序在為header分配的內存的時候，它並不佔用內存空間。

如果計算sizeof(struct sdshdr16)的值，那麼結果是5個位元組，其中沒有buf字段。sdshdr5與其它幾個header結構不同，它不包含alloc字段，而長度使用flags的高5位來存儲。

因此，它不能為字符串分配空餘空間。如果字符串需要動態增長，那麼它就必然要重新分配內存才行。所以說，這種類型的sds字符串更適合存儲靜態的短字符串（長度小於32）。

至此，我們非常清楚地看到了：sds字符串的header，其實隱藏在真正的字符串數據的前面（低地址方向）。這樣的一個定義，有如下幾個好處：

header和數據相鄰，而不用分成兩塊內存空間來單獨分配。這有利於減少內存碎片，提高存儲效率（memory efficiency）。

雖然header有多個類型，但sds可以用統一的char *來表達。且它與傳統的C語言字符串保持類型兼容。

如果一個sds裏面存儲的是可打印字符串，那麼我們可以直接把它傳給C函數，比如使用strcmp比較字符串大小，或者使用printf進行打印。弄清了sds的數據結構，它的具體操作函數就比較好理解了。

sds的一些基礎函數  sdslen(const sds s): 獲取sds字符串長度。  sdssetlen(sds s, size_t newlen): 設置sds字符串長度。  sdsinclen(sds s, size_t inc): 增加sds字符串長度。  sdsalloc(const sds s): 獲取sds字符串容量。  sdssetalloc(sds s, size_t newlen): 設置sds字符串容量。  sdsavail(const sds s): 獲取sds字符串空餘空間（即alloc - len）。  sdsHdrSize(char type): 根據header類型得到header大小。  sdsReqType(size_t string_size):

根據字符串數據長度計算所需要的header類型。這裡我們挑選sdslen和sdsReqType的代碼，察看一下。

static inline size_t sdslen(const sds s) {      unsigned char flags = s[-1];      switch(flags&SDS_TYPE_MASK) {          case SDS_TYPE_5:              return SDS_TYPE_5_LEN(flags);          case SDS_TYPE_8:              return SDS_HDR(8,s)->len;          case SDS_TYPE_16:              return SDS_HDR(16,s)->len;          case SDS_TYPE_32:              return SDS_HDR(32,s)->len;          case SDS_TYPE_64:              return SDS_HDR(64,s)->len;      }      return 0;  }    static inline char sdsReqType(size_t string_size) {      if (string_size < 1<<5)          return SDS_TYPE_5;      if (string_size < 1<<8)          return SDS_TYPE_8;      if (string_size < 1<<16)          return SDS_TYPE_16;      if (string_size < 1ll<<32)          return SDS_TYPE_32;      return SDS_TYPE_64;  }

跟前面的分析類似，sdslen先用s[-1]向低地址方向偏移1個位元組，得到flags；然後與SDS_TYPE_MASK進行按位與，得到header類型；然後根據不同的header類型，調用SDS_HDR得到header起始指針，進而獲得len字段。

通過sdsReqType的代碼，很容易看到：

長度在0和2^5-1之間，選用SDS_TYPE_5類型的header。長度在25和28-1之間，選用SDS_TYPE_8類型的header。長度在28和216-1之間，選用SDS_TYPE_16類型的header。長度在216和232-1之間，選用SDS_TYPE_32類型的header。長度大於232的，選用SDS_TYPE_64類型的header。能表示的最大長度為264-1。註：sdsReqType的實現代碼，直到3.2.0，它在長度邊界值上都一直存在問題，直到最近3.2 branch上的commit 6032340才修復。

sds的創建和銷毀

sds sdsnewlen(const void *init, size_t initlen) {      void *sh;      sds s;      char type = sdsReqType(initlen);      /* Empty strings are usually created in order to append. Use type 8       * since type 5 is not good at this. */      if (type == SDS_TYPE_5 && initlen == 0) type = SDS_TYPE_8;      int hdrlen = sdsHdrSize(type);      unsigned char *fp; /* flags pointer. */        sh = s_malloc(hdrlen+initlen+1);      if (!init)          memset(sh, 0, hdrlen+initlen+1);      if (sh == NULL) return NULL;      s = (char*)sh+hdrlen;      fp = ((unsigned char*)s)-1;      switch(type) {          case SDS_TYPE_5: {              *fp = type | (initlen << SDS_TYPE_BITS);              break;          }          case SDS_TYPE_8: {              SDS_HDR_VAR(8,s);              sh->len = initlen;              sh->alloc = initlen;              *fp = type;              break;          }          case SDS_TYPE_16: {              SDS_HDR_VAR(16,s);              sh->len = initlen;              sh->alloc = initlen;              *fp = type;              break;          }          case SDS_TYPE_32: {              SDS_HDR_VAR(32,s);              sh->len = initlen;              sh->alloc = initlen;              *fp = type;              break;          }          case SDS_TYPE_64: {              SDS_HDR_VAR(64,s);              sh->len = initlen;              sh->alloc = initlen;              *fp = type;              break;          }      }      if (initlen && init)          memcpy(s, init, initlen);      s[initlen] = '';      return s;  }    sds sdsempty(void) {      return sdsnewlen("",0);  }    sds sdsnew(const char *init) {      size_t initlen = (init == NULL) ? 0 : strlen(init);      return sdsnewlen(init, initlen);  }    void sdsfree(sds s) {      if (s == NULL) return;      s_free((char*)s-sdsHdrSize(s[-1]));  }

sdsnewlen創建一個長度為initlen的sds字符串，並使用init指向的字符數組（任意二進制數據）來初始化數據。如果init為NULL，那麼使用全0來初始化數據。它的實現中，我們需要注意的是：

如果要創建一個長度為0的空字符串，那麼不使用SDS_TYPE_5類型的header，而是轉而使用SDS_TYPE_8類型的header。這是因為創建的空字符串一般接下來的操作很可能是追加數據，但SDS_TYPE_5類型的sds字符串不適合追加數據（會引發內存重新分配）。需要的內存空間一次性進行分配，其中包含三部分：header、數據、最後的多餘位元組（hdrlen+initlen+1）。初始化的sds字符串數據最後會追加一個NULL結束符（s[initlen] = 『』）。關於sdsfree，需要注意的是：內存要整體釋放，所以要先計算出header起始指針，把它傳給s_free函數。這個指針也正是在sdsnewlen中調用s_malloc返回的那個地址。

sds的連接（追加）操作

sds sdscatlen(sds s, const void *t, size_t len) {      size_t curlen = sdslen(s);        s = sdsMakeRoomFor(s,len);      if (s == NULL) return NULL;      memcpy(s+curlen, t, len);      sdssetlen(s, curlen+len);      s[curlen+len] = '';      return s;  }    sds sdscat(sds s, const char *t) {      return sdscatlen(s, t, strlen(t));  }    sds sdscatsds(sds s, const sds t) {      return sdscatlen(s, t, sdslen(t));  }    sds sdsMakeRoomFor(sds s, size_t addlen) {      void *sh, *newsh;      size_t avail = sdsavail(s);      size_t len, newlen;      char type, oldtype = s[-1] & SDS_TYPE_MASK;      int hdrlen;        /* Return ASAP if there is enough space left. */      if (avail >= addlen) return s;        len = sdslen(s);      sh = (char*)s-sdsHdrSize(oldtype);      newlen = (len+addlen);      if (newlen < SDS_MAX_PREALLOC)          newlen *= 2;      else          newlen += SDS_MAX_PREALLOC;        type = sdsReqType(newlen);        /* Don't use type 5: the user is appending to the string and type 5 is       * not able to remember empty space, so sdsMakeRoomFor() must be called       * at every appending operation. */      if (type == SDS_TYPE_5) type = SDS_TYPE_8;        hdrlen = sdsHdrSize(type);      if (oldtype==type) {          newsh = s_realloc(sh, hdrlen+newlen+1);          if (newsh == NULL) return NULL;          s = (char*)newsh+hdrlen;      } else {          /* Since the header size changes, need to move the string forward,           * and can't use realloc */          newsh = s_malloc(hdrlen+newlen+1);          if (newsh == NULL) return NULL;          memcpy((char*)newsh+hdrlen, s, len+1);          s_free(sh);          s = (char*)newsh+hdrlen;          s[-1] = type;          sdssetlen(s, len);      }      sdssetalloc(s, newlen);      return s;  }

sdscatlen將t指向的長度為len的任意二進制數據追加到sds字符串s的後面。本文開頭演示的string的append命令，內部就是調用sdscatlen來實現的。

在sdscatlen的實現中，先調用sdsMakeRoomFor來保證字符串s有足夠的空間來追加長度為len的數據。sdsMakeRoomFor可能會分配新的內存，也可能不會。

sdsMakeRoomFor是sds實現中很重要的一個函數。關於它的實現代碼，我們需要注意的是：

如果原來字符串中的空餘空間夠用（avail >= addlen），那麼它什麼也不做，直接返回。

如果需要分配空間，它會比實際請求的要多分配一些，以防備接下來繼續追加。它在字符串已經比較長的情況下要至少多分配SDS_MAX_PREALLOC個位元組，這個常量在sds.h中定義為(1024*1024)=1MB。

按分配後的空間大小，可能需要更換header類型（原來header的alloc字段太短，表達不了增加後的容量）。

如果需要更換header，那麼整個字符串空間（包括header）都需要重新分配（s_malloc），並拷貝原來的數據到新的位置。

如果不需要更換header（原來的header夠用），那麼調用一個比較特殊的s_realloc，試圖在原來的地址上重新分配空間。s_realloc的具體實現得看Redis編譯的時候選用了哪個allocator（在Linux上默認使用jemalloc）。

但不管是哪個realloc的實現，它所表達的含義基本是相同的：它盡量在原來分配好的地址位置重新分配，如果原來的地址位置有足夠的空餘空間完成重新分配，那麼它返回的新地址與傳入的舊地址相同；否則，它分配新的地址塊，並進行數據搬遷。參見http://man.cx/realloc。

從sdscatlen的函數接口，我們可以看到一種使用模式：調用它的時候，傳入一個舊的sds變量，然後它返回一個新的sds變量。由於它的內部實現可能會造成地址變化，因此調用者在調用完之後，原來舊的變量就失效了，而都應該用新返回的變量來替換。不僅僅是sdscatlen函數，sds中的其它函數（比如sdscpy、sdstrim、sdsjoin等），還有Redis中其它一些能自動擴展內存的數據結構（如ziplist），也都是同樣的使用模式。

淺談sds與string的關係

現在我們回過頭來看看本文開頭給出的string操作的例子。

append操作使用sds的sdscatlen來實現。前面已經提到。

setbit和getrange都是先根據key取到整個sds字符串，然後再從字符串選取或修改指定的部分。由於sds就是一個字符數組，所以對它的某一部分進行操作似乎都比較簡單。

但是，string除了支持這些操作之外，當它存儲的值是個數字的時候，它還支持incr、decr等操作。那麼，當string存儲數字值的時候，它的內部存儲還是sds嗎？

實際上，不是了。而且，這種情況下，setbit和getrange的實現也會有所不同。這些細節，我們放在下一篇介紹robj的時候再進行系統地討論。