走近源碼：壓縮列表是怎樣煉成的

  • 2020 年 3 月 11 日
  • 筆記

經過前面對Redis源碼的了解，令人印象深刻的也許就是Redis各種節約記憶體手段。而Redis對於記憶體的節約可以說是費盡心思，今天我就再來介紹一種Redis為了節約記憶體而創造的存儲結構——壓縮列表（ziplist）。

存儲結構

ziplist是zset和hash在元素數量較少時使用的一種存儲結構。它的特點存儲於一塊連續的記憶體，元素與元素之間沒有空隙。我們可以用DEBUG OBJECT命令來查看一個zset的編碼格式：

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

那麼ziplist究竟是一種怎樣的結構的，話不多說，直接看圖。

ZIPLIST OVERALL LAYOUT

ziplist結構

接下來我們挨個解釋一下每一部分存儲的內容：

  • zlbytes：32位無符號整數，存儲的是包括它自己在內的整個ziplist所佔用的位元組數
  • zltail：32位無符號整數，存儲的是最後一個entry的偏移量，用來快速定位最後一個元素
  • zllen：16位無符號整數，用於存儲entry的數量，當元素數量大於216-2時，這個值就被設置為216-1。我們想知道元素的數量就需要遍歷整個列表
  • entry：表示存儲的元素
  • zlend：8位無符號整數，用於標識整個ziplist的結尾。它的值是255。
ZIPLIST ENTRIES

了解了ziplist的大概結構以後，我們剖析更深一層的entry的結構。

對於每個entry都有兩個前綴

  • prevlen：表示前一個元素的長度，它與zltail欄位結合使用可以實現快速的從後向前定位元素
  • encoding：表示元素的編碼格式，它用來表示元素是整數還是字元串，如果是字元串，也表示字元串的長度
  • entry-data：元素的數據，它並不是一定存在，對於某些編碼而言，編碼本身也是數據，因此這一部分可以省略

這裡要解釋一點，prevlen是一個變長的整數，當前一個元素的長度小於254時，它僅需要一個位元組（8位無符號整數）表示，如果元素的長度大於（或等於）254位元組，prevlen就用5個位元組來表示，其中第一個位元組是254，後4個位元組表示前一個元素的長度。

encoding欄位決定了元素的內容。如果entry存儲的是字元串，那麼就通過encoding的前兩位來區分不同長度的字元串，如果entry存儲的內容是整數，那麼前兩位都會被設置為1，再後面兩位用來區分整數的類型。

  1. |00pppppp|：字元串長度小於63位元組，pppppp是6位無符號整數，用來表示字元串長度
  2. |01pppppp|qqqqqqqq|：字元串長度小於等於16383位元組，後面14位表示字元串長度
  3. |10000000|qqqqqqqq|rrrrrrrr|ssssssss|tttttttt|：字元串長度大於等於16384位元組，後4個位元組表示字元串長度
  4. |11000000|：16位整數，後面跟2個位元組存儲整數
  5. |11010000|：32位整數，後面跟4個位元組存儲整數
  6. |11100000|：64位整數，後面跟8個位元組存儲整數
  7. |11110000|：24位整數，後面跟3個位元組存儲整數
  8. |11111110|：8位整數，後面跟1個位元組存儲整數
  9. |1111xxxx|：(xxxx 取值從0000到1101)表示0到12的整數，讀到的xxxx減1為實際表示的整數。這就是前面提到的省略entry-data的情況
  10. |11111111|：ziplist的結束值，也就是zlend的值

說了這麼多，也許你還是不太清楚ziplist存儲的內容究竟要表示什麼，我們還是來舉一個栗子

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

這是一個實際的ziplist存儲的內容，我們就一起來解讀一下。

首先是4個位元組的zlbytes，ziplist一共是15個位元組，因此zlbytes的值是0x0f；接下來是4個位元組的zltail，偏移量是12，因此zltail的值是0x0c；後兩個位元組是zllen，也就是一共兩個元素；第一個元素的prevlen為00，0xf3表示元素值是2：1111 0011符合上述第9條，讀到xxxx為3，需要減1，因此實際值是2；第二個元素同理，0xf6表示的值是5，最後0xff表示這個ziplist結束。

這時，我向這個ziplist中又加了一個元素，是一個字元串，請大家自行解讀下面的entry（注意，只是entry）。友情提示：需要查詢ASCII碼錶來解讀

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

增加元素

了解了ziplist的存儲之後，我們再來看一下ziplist是如何增加元素的。前面提到過，ziplist存儲結構用於元素數量少的zset和hash。那麼我們就以zset為例，一起追蹤源碼，了解ziplist增加元素的過程。

我們從ZADD命令執行的函數zaddCommand()開始。

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

它只是簡單調用了zaddGenericCommand()函數，傳入了客戶端對象c和一個標誌位，表示要執行ZADD命令，因為這個函數同樣也是ZINCRBY要執行的函數（傳入的標誌是ZADD_INCR）。

而在zaddGenericCommand()函數中，首先對參數進行了處理，並且做了一些校驗。

/* 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;      }  }

然後判斷key是否存在，如果存在，驗證數據類型；否則創建一個新的zset對象。這裡可以看到，當

zset_max_ziplist_entries為0或者第一個元素的長度大於zset_max_ziplist_value時，創建zset對象，否則創建ziplist對象。創建好對象之後，就開始遍曆元素，執行zsetAdd函數了：

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;  }

這個函數用來增加新元素或者更新元素的score。這個函數中判斷了zset對象的編碼方式，對壓縮列表ziplist和跳躍列表skiplist分開處理，跳躍列表是zset的另一種編碼方式，這個我們以後再介紹，本文我們只關注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，這裡首先調用zzlFind()函數查找對應的元素，如果元素存在，那麼就判斷是否包含參數NX或者是否是INCR操作。如果修改了元素的分數，則先刪除原有的元素，再重新增加；如果元素不存在，就直接執行zzlInsert()函數，再insert之後，會判斷是否需要改為跳躍列表存儲。這裡有兩個條件：

  1. zset元素數量大於zset_max_ziplist_entries（默認128）
  2. 添加的元素長度大於zset_max_ziplist_value（默認64）

滿足任意一個條件，zset都會使用跳躍列表來存儲。

我們繼續追蹤zzlInsert()函數。

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的第一個元素，如果該元素不為空，就比較該元素的分數s與要插入的元素分數score，如果s>score，就插入到當前位置，如果分數相同，則比較元素（按字典序）。插入後，將後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()函數中，主要是調用了ziplistPush()或者ziplistInsert()將元素和分數插入列表尾部或中間。插入順序是先插入元素，然後插入分數。

接下來就到了ziplist.c文件中，真正向壓縮列表中插入元素了。關鍵程式碼在__ziplistInsert()函數中。

首先需要計算插入位置前一個元素的長度，存儲到當前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);      }  }

這裡區分了是否是在尾部插入元素的情況，如果是在尾部，就可以通過ziplist中的zltail欄位直接定位。接下來就是嘗試對插入的元素進行編碼，判斷是否可以存儲為整數，如果不能，就按照字元串的編碼格式來存儲。

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;  }

這一步判斷是節省記憶體的關鍵，它會使用我們前面介紹的盡量小的編碼格式來進行編碼。編碼完成後就要計算當前entry的長度，包括prevlen、encoding和entry-data，並且需要保證後一個entry（如果有的話）的prevlen能夠保存當前entry的長度。這裡調用的是zipPrevLenByteDiff()函數，需要的prevlen的長度和現有的prevlen的長度的差值，也就是說如果返回為整數，表示需要更多空間。

在這之後就要調用zrealloc()來擴展空間了。這裡有可能會在原來的基礎上進行擴展，也有可能重新分配一塊記憶體，然後將原來的ziplist整體遷移。如果ziplist佔用較大記憶體時，整體遷移的代價是很高的。有了足夠的空間之後，就是把當前位置的entry向後移一位了，然後要修改這個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()函數的返回值，它不為0表示需要更多空間（小於0時被置為0）。這時後面的元素需要級聯更新。所有的這些處理完畢之後，我們終於可以把要插入的entry寫入當前位置了，並且將ziplist的長度加1。

級聯更新

如果一個entry的長度小於254位元組，那麼後一個元素的prevlen就用一個位元組來存儲，否則就要用5個位元組存儲。當我們插入一個元素時，如果它的長度大於253位元組，那麼原來的entry就可能從1個位元組變成5個位元組，而如果由於這一變化導致這個entry的長度大於254位元組，那麼後面的元素也要更新。到後面甚至有可能導致重新分配記憶體的問題，所以級聯更新是一件很可怕的事情。

接下來就通過源碼，看一下級聯更新的具體步驟。（查看ziplist.c文件的__ziplistCascadeUpdate函數）

首先，判斷當前entry是否是最後一個，如果是，則跳出級聯更新。

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

接著判斷了下一個entry的prevlen長度是否發生變化，如果沒有變化，也不用繼續進行級聯更新。

if (next.prevrawlen == rawlen) break;

而如果下一個entry的prevlen長度需要擴展，那麼就先調用ziplistResize擴展記憶體，然後要更新zltail。要將後面的entry向後移動，再開始判斷下一個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;  }

如果後面的entry的prevlen大於需要的長度呢，此時應該收縮prevlen，如果要進行收縮，那麼可能會繼續級聯更新。這太麻煩了，所以這裡選擇了浪費一些空間，用5個位元組的空間來存儲1個位元組可以存儲的內容。如果prevlen的長度等於需要的長度，就直接更新內容。

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，刪除操作也有可能引起級聯更新。假設我們有3個entry是下面的情況

刪除級聯更新

我們可以知道，entry2的prevlen需要5個位元組，entry3的prevlen只需要1個位元組。而如果我們刪除了entry2，那麼entry3的prevlen就需要擴展到5個位元組，這一操作就有可能引起級聯更新，後面的情況和新增節點時一樣。

總結

最後做一個總結：

  1. 壓縮列表是zset和hash元素個數較少時的存儲結構
  2. ziplist由zlbytes、zltail、zllen、entry、zlend這五部分組成
  3. 每個entry由prevlen、encoding和entry-data三部分組成
  4. ziplist增加元素時，需要重新計算插入位置的entry的prevlen（prevlen的長度為1位元組或5位元組），這一操作有可能引起級聯更新。

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