Redis數據結構—鏈表與字典
Redis數據結構—鏈表與字典
大家好，我是白澤。今天我們來聊一聊Redis中的鏈表與字典
鏈表
關於鏈表的基礎概念其實你在學習Redis之前一定積累了不少，所以本文將默認你已經掌握了鏈表相關的基礎知識，而Redis的鏈表其實也就是普通的鏈表~
因為Redis是使用C語言編寫的，因此Redis的數據結構的定義都是使用C語法定義的，你不需要完全理解下方C語言聲明結構體的語法，但我認為依靠大家的Java知識也能理解這就像是在Java中定義了一個鏈表對象
Redis鏈表節點的結構
typedef struct listNode {
struct listNode *prev; //指向前一個鏈表節點
struct listNode *next; //指向後一個鏈表節點
void *value; //當前節點的值(可以按需設定不同數據類型的value)
} listNode;
很明顯，當每一個節點內記錄了前後兩個節點位置之後，鏈表節點之間就能夠彼此前後相連，組成雙向通行車道（可以雙向遍歷）
Redis鏈表的表示
上面講解了Redis的鏈表的節點表示，並由此引申了一下可以藉此構建Redis雙端鏈表，而事實上，對於每一個存在的雙端鏈表，Redis使用一個list結構來表示
typedef struct list {
listNode *head; //表頭節點
listNode *tail; //表尾節點
unsigned long len; //鏈表所包含的節點的數量
void *(*dup)(void *ptr); //節點複製函數
void (*free)(void *ptr); //節點釋放函數
void (*match)(void *ptr, void *key);//節點值對比函數
} list;
很明顯，你看到三個好像是返回值為void的函數，但是看不懂C語法，沒關係，傳統後端功夫，自然是點到為止
Redis鏈表用在哪
我不想現在就告訴你，鏈表被廣泛用於實現Redis的各種功能，比如列表鍵、發佈於訂閱、慢查詢、監視器等（這太空洞了，除了讓你聽一遍這幾個詞彙，對你沒有任何幫助），等我們後面講到這幾部分的時候，白澤再結合鏈表和你細說~
字典
和鏈表一樣，Redis所使用的C語言並沒有內置字典這種數據結構，因此Redis構建了自己的字典實現。如果你學過數據結構，你會發現Redis的字典事實上就是數據結構中的鄰接表，即使沒學過，往下看就好啦~
Redis字典結構總覽
數組 + 鏈表 ==> 鄰接表，實錘
Redis字典結構分解
還記得嗎，上面我們說Redis鏈表可以用list描述，但是鏈表存儲的數據本質上，是由一系列listNode節點通過前後指針相連存儲的；類似的，Redis字典可以用如下dict描述，但是字典存儲的數據本質上，是由數組 + 若干鏈表組合得到的數據結構存儲的，字典dict結構如下：
typedef struct dict {
dictType *type; //類型特定函數
void *privdata; //私有數據
dictht ht[2]; //哈希表數組
int trehashidx; //rehash索引，當rehash不在進行時，值為-1
} dict;
現在你只需要關注其中的哈希表數組ht[2]，它的數據類型為dictht，因此也是一種複合的數據結構，如下：
typedef struct dictht {
dictEntry **table; //哈希表數組
unsigned long size; //哈希表大小
unsigned long sizemax; //哈希表大小掩碼，用於計算索引值，等於size - 1
unsigned long used; //該哈希表已有節點的數量
} dictht;
哈希表dictht是Redis字典的核心，dictht的四個屬性中，size、sizemax、used都是用於描述table屬性整體狀態。看到這你就明白了，dictht的核心是dictEntry類型的table屬性（再次提醒，如果沒有C語言的基礎，本文中一切你看不懂的語法，包括數據類型，你只需要一眼帶過即可，我們的目的是學習Redis的設計思想）
table屬性是一個數組，數組中的每個元素都是一個指向dictEntry結構的指針，每個dictEntry結構保存一個鍵值對，並含有一個指向下一個dictEntry的指針，結構如下：
typedef struct dictEntry {
void *key; //鍵
union { //值（可以是一個指針，可以是一個uint64_t類型的整數，也可以是一個int64_t類型的整數）
void *val;
uint64_t u64;
int64_t s64;
} v;
struct dictEntry *next;//指向下個哈希表節點，形成鏈表
} dictEntry;
哈希算法
我們知道，字典是用來存儲數據的，並且是以鍵值對的形式存儲的，那麼我每次存入一個鍵值對放在字典的哪裡？這就是哈希算法為你解決的事情：程序需要先根據鍵值對的鍵計算出哈希值和索引值，然後再根據索引值，將包含新鍵值對的哈希表節點放到哈希表數組的指定索引上面
比如我已經有下面這個字典，然後要插入一個鍵值對數據：k1 : v1，則程序有如下計算過程：（用戶只是往Redis服務器中插入了一條數據，下面都是程序內部的工作~）
hash = dict->type->hashFunction(k1); //計算k1鍵的hash值（得到某個數值）
index = hash & dict->ht[0].sizemask = 1; //計算k1鍵插入位置的索引值
解決鍵衝突
鍵衝突：當不同的key值計算得到的dictEntry索引值相同時，就稱發生鍵衝突（我要插入的位置已經被佔用了，插入使得鏈表長度由1變多，當然第一次插入不算衝突）
解決方法：
就像上面我要插入一個k1 ：v1的鍵值對，並計算得到插入位置的索引為1（但是distEntry數組中索引為1的位置已經有k0 ：v0鍵值對存放了），因此程序會在哈希表ht[0]的dictEntry數組的索引為1的位置上插入一個dictEntry節點，放在原本鏈表首部的前一位置（搶佔首位），其中存放着k1 ： v1鍵值對，插入後的圖如下：
你可能疑惑新插入的鍵值對的位置在每個dictEntry鏈表的最前面，而不是尾部，原因是每個dictEntry中除了保存鍵值對之外，只記錄了下一個dictEntry的地址（上面我已經給出了dictEntry的結構了~），程序無法直接得到dictEntry鏈表的最後一個節點，但可以直接得到第一個節點（通過dictEntry數組索引直接定位），因此每次插入的dictEntry節點（鍵值對）都將直接插入到對應索引的鏈表的頭部（因此dictEntry數組的內容是不斷在變的）
一句話來說：distEntry數組幫助使用索引定位，distEntry鏈表，用於處理衝突，不斷維護所存儲的鍵值對數據
rehash
隨着操作的不斷執行（增、刪、改、查），哈希表保存的鍵值對會逐漸增多或者減少，為了讓哈希表的負載因子維持在一個合理範圍內，當哈希表保存的鍵值對數量太多或太少時，程序會對哈希表的大小進行相應的擴展或者收縮（不知道你是否記得還有一個哈希表ht[1]的存在，這個表就是為了和ht[0]配合進行rehash而存在的）
rehash步驟：
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為字典的ht[1]哈希表分配空間
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如果程序執行擴展操作：
ht[1].size = 第一個大於等於ht[0].used * 2（ht[0]已經使用的空間大小乘2）的2的n次方冪
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如果程序執行收縮操作：
ht[1].size = 第一個大於等於ht[0].used（ht[0]已經使用的空間大小）的2的n次方冪
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將保存在ht[0]上的鍵值對rehash到ht[1]上，因為size不同，所以是重新hash，而不是整體複製
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當ht[0]內鍵值對全部遷移到ht[1]中後，釋放ht[0]，然後將ht[1]和ht[0]的互換（rehash結束），此時ht[0]就是一個rehash後的哈希表，而ht[1]依舊為空表，為下次rehash做準備
漸進式rehash
上面提到的在哈希表ht[0]的負載因子過大或者過小會觸發rehash，但是，事實上rehash遷移的過程不是一蹴而就的（很明顯，如果數據ht[0]的數據很多，每次rehash如果都遷移全部數據，需要花費較大時間等待，用戶在rehash期間訪問Redis服務器將會陷入無響應的狀態）
漸進式過程：
將rehash的過程分攤在後續的每次增、刪、改、查操作上，在rehash期間，每次對字典執行操作，程序除了執行指定操作外，還會順帶將ht[0]哈希表在rehashidx索引（從0開始，-1表示rehash未開始）上的所有鍵值對rehash到ht[1]，當每次局部rehash工作完成後，程序將rehashidx屬性的值增一
注意：每次對字典進行增、刪、改、查會在ht[0]和ht[1]上同時進行，比如查找一個鍵，則會現在ht[0]上查找，沒找到再去ht[1]上查找，諸如此類，除了增加操作每次都將直接hash到ht[1]上，不會對ht[0]執行任何添加操作
