摘要：對象源碼結(jié)構(gòu)如下對象類型對象編碼引用統(tǒng)計指向底層實現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的指針字段對象類型，就是我們常說的。。對象編碼對應(yīng)跳躍表壓縮列表集合動態(tài)字符串等八種底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

相信很多人應(yīng)該都知道 Redis 有五種數(shù)據(jù)類型：字符串、列表、哈希、集合和有序集合。但這五種數(shù)據(jù)類型是什么含義？Redis 的數(shù)據(jù)又是怎樣存儲的？今天我們一起來認(rèn)識下 Redis 這五種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的含義及其底層實現(xiàn)。

首先要明確的是，Redis 并沒有直接使用這五種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)鍵值對數(shù)據(jù)庫，而是基于這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)創(chuàng)建了一套對象系統(tǒng)，我們常說的數(shù)據(jù)類型，準(zhǔn)確來說，是 Redis 對象系統(tǒng)的類型。

對于 Redis 而言，所有鍵值對的存儲，都是將數(shù)據(jù)存儲在對象結(jié)構(gòu)中。所不同的是，鍵總是一個字符串對象，值可以是任意類型的對象。
對象源碼結(jié)構(gòu)如下：

typedef struct redisObject {
    unsigned type:4;       // 對象類型
    unsigned encoding:4;   // 對象編碼
    unsigned lru:LRU_BITS; // LRU
    int refcount;          // 引用統(tǒng)計
    void *ptr;             // 指向底層實現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的指針
} robj;

type 字段：對象類型，就是我們常說的。string、list、hash、set、zset。

encoding：對象編碼。也就是我們上面說的底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

LRU：鍵值對的 LRU。

refcount：鍵值對對象的引用統(tǒng)計。當(dāng)此值為 0 時，回收對象。

*ptr：指向底層實現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的指針。就是實際存放數(shù)據(jù)的地址。

對象有五種數(shù)據(jù)類型，就是我們上面提過的：

字符串類型

列表類型

哈希類型

集合類型

有序集合類型

結(jié)合我們上面提到的鍵值對存儲類型的差別，可以了解到，我們常說的“一個列表鍵或一個哈希鍵”，本質(zhì)上指的是：一個 key 對應(yīng)的 value 是列表對象或哈希對象。

對于 type 字段，我們可以使用 TYPE 命令來查看指定 key 對應(yīng) value 值的對象類型。

按道理講，已經(jīng)有了 type，為什么還要搞個編碼呢？

想想看，通過 encoding 屬性，我們是不是使用不同編碼的對象？這種使用方式可以根據(jù)不同的使用場景來為一個對象設(shè)置不同的編碼，從而優(yōu)化在某一場景下的效率，極大的提升了 Redis 的靈活性和效率。

舉個栗子，在列表對象包含的元素比較少時，Redis 使用壓縮列表作為列表對象的底層實現(xiàn)：

壓縮列表比快速鏈表更節(jié)約內(nèi)存，并且在元素數(shù)量較少時，在內(nèi)存中以連續(xù)塊方式報錯的壓縮列表比起快速列表可以更快的載入到緩存中；

隨著列表對象包含的元素越來越多，使用壓縮列表保存元素的優(yōu)勢消失時，對象就會將底層實現(xiàn)從壓縮列表轉(zhuǎn)為功能更強、也更適合保存大量元素的快速鏈表。

后面介紹完編碼類型后，我們會詳細(xì)認(rèn)識不同類型對應(yīng)的各個編碼方式。

encoding 屬性有以下取值：

OBJ_ENCODING_RAW

OBJ_ENCODING_INT

OBJ_ENCODING_HT

OBJ_ENCODING_QUICKLIST

OBJ_ENCODING_ZIPLIST

OBJ_ENCODING_INTSET

OBJ_ENCODING_SKIPLIST

OBJ_ENCODING_EMBSTR

對象的編碼類型可以由 OBJECT ENCODING 命令獲取。

OBJECT ENCODING 命令對應(yīng)源碼如下：

# src/object.c
char *strEncoding(int encoding) {
    switch(encoding) {
    case OBJ_ENCODING_RAW: return "raw";
    case OBJ_ENCODING_INT: return "int";
    case OBJ_ENCODING_HT: return "hashtable";
    case OBJ_ENCODING_QUICKLIST: return "quicklist";
    case OBJ_ENCODING_ZIPLIST: return "ziplist";
    case OBJ_ENCODING_INTSET: return "intset";
    case OBJ_ENCODING_SKIPLIST: return "skiplist";
    case OBJ_ENCODING_EMBSTR: return "embstr";
    default: return "unknown";
    }
}

OBJECT ENCODING 命令輸出值與 encoding 屬性取值對應(yīng)關(guān)系如下：

總結(jié)來看，如下圖：

十一種不同編碼的對象分別是：

使用雙端或快速列表實現(xiàn)的列表對象

使用壓縮列表實現(xiàn)的列表對象

使用字典實現(xiàn)的哈希對象

使用壓縮列表實現(xiàn)的哈希對象

使用字典實現(xiàn)的集合對象

使用整數(shù)集合實現(xiàn)的集合對象

使用壓縮列表實現(xiàn)的有序集合對象

使用跳躍表實現(xiàn)的有序集合對象

使用普通 SDS 實現(xiàn)的字符串對象

使用 embstr 編碼的 SDS 實現(xiàn)的字符串對象

使用整數(shù)值實現(xiàn)的字符串對象

接下來，我們將對上述十一種對象一一介紹。之后再一一認(rèn)識對象編碼。

字符串對象的可選編碼分別是：int、raw 或者 embstr。

如果一個字符串對象保存的是整數(shù)值，并且這個整數(shù)值可以用 long 類型表示，那么字符串對象會將整數(shù)值保存在字符串對象結(jié)構(gòu)的 ptr 屬性中，并將字符串對象的編碼設(shè)置為 int。

我們執(zhí)行以下 SET 命令，服務(wù)器將創(chuàng)建一個如下圖所示的 int 編碼的字符串對象作為 num 鍵的值：

# redis-cli
127.0.0.1:6380> set num 12345
OK
127.0.0.1:6380> OBJECT ENCODING num
"int"

如果字符串對象保存的是一個字符串值，并且這個字符串值的長度大于 44 字節(jié)（根據(jù)版本的不同，這個值會有差異。詳見 object.c 文件中的 OBJ_ENCODING_EMBSTR_SIZE_LIMIT 常量），那么字符串對象將使用**簡單動態(tài)字符串（SDS）來保存這個字符串值，并將對象的編碼設(shè)置為 raw。

我們執(zhí)行下面的 SET 命令，服務(wù)器將創(chuàng)建一個圖 7 所示的 raw 編碼的字符串對象作為 k1 鍵的值（45 字節(jié)）：

127.0.0.1:7379> set story "k01234567890123456789012345678901234567890123"
OK
127.0.0.1:7379> OBJECT ENCODING k4
"raw"

如果字符串保存的是一個字符串值，并且這個字符串值的長度小于等于 44 字節(jié)（根據(jù)版本的不同，這個值會有差異。詳見 object.c 文件中的 OBJ_ENCODING_EMBSTR_SIZE_LIMIT 常量），那么字符串對象將使用 embstr 編碼的方式來保存這個字符串。

embstr 編碼是專門用于保存段字符串的一種優(yōu)化編碼方式，這種編碼和 raw 編碼一樣，都使用 redisObject 和 sdshdr 結(jié)構(gòu)來表示字符串對象。但和 raw 編碼的字符串對象不同的是：

raw 編碼會調(diào)用兩次內(nèi)存分配函數(shù)來分別創(chuàng)建 redisObject 和 sdshdr 結(jié)構(gòu)

embstr 編碼通過一次內(nèi)存分配函數(shù)分配一塊連續(xù)的空間，空間中依次包含 redisObject 和 sdsHdr 兩個結(jié)構(gòu)。

相對應(yīng)的，釋放內(nèi)存時，embstr 編碼的對象也只需調(diào)用一次內(nèi)存釋放函數(shù)。

因此，使用 embstr 編碼的字符串對象來保存短字符串值有以下好處：

創(chuàng)建字符串對象時，內(nèi)存分配次數(shù)從兩次降低為一次。

釋放 embstr 編碼的字符串對象時，調(diào)用內(nèi)存釋放函數(shù)的次數(shù)從兩次降低為一次。

更好地利用緩存優(yōu)勢。embstr 編碼的字符串對象的所有數(shù)據(jù)都保存在一塊連續(xù)的內(nèi)存中 ，這種方式比 raw 編碼的字符串對象能夠更好的利用緩存帶來的優(yōu)勢。

以下命令創(chuàng)建了一個 embstr 編碼的字符串對象作為 msg 鍵的值，值對象結(jié)構(gòu)如圖 8。

127.0.0.1:6380> SET msg hello
OK
127.0.0.1:6380> OBJECT ENCODING msg
"embstr"

Redis 中，long double 類型的浮點數(shù)也是作為字符串值來保存的。

我們要保存一個浮點數(shù)到字符串對象中，程序會先將這個浮點數(shù)轉(zhuǎn)換成字符串值，然后再保存轉(zhuǎn)換所得的字符串值。

執(zhí)行以下代碼，將創(chuàng)建一個包含 3.14 的字符串表示 "3.14" 的字符串對象：

127.0.0.1:6380> SET pi 3.14
OK
127.0.0.1:6380> OBJECT ENCODING pi
"embstr"

在有需要的時候，程序會將保存在字符串對象里的字符串值轉(zhuǎn)換成浮點數(shù)值，執(zhí)行某些操作，然后將所得的浮點數(shù)值轉(zhuǎn)換回字符串值，繼續(xù)保存在字符串對象中。

比如，我們對 pi 鍵執(zhí)行以下操作：

127.0.0.1:6380> INCRBYFLOAT pi 2.0
"5.14"
127.0.0.1:6380> OBJECT ENCODING pi
"embstr"

執(zhí)行 INCRBYFLOAT 命令過程中，實際上就會出現(xiàn)字符串與浮點數(shù)值互相轉(zhuǎn)換的情況。

int 編碼的字符串對象和 embstr 編碼的字符串對象在滿足某些條件的情況下，會被轉(zhuǎn)換為 raw 編碼的字符串對象。

對于 int 編碼的字符串對象來說，如果我們在執(zhí)行命令后，使得這個對象保存的不再是整數(shù)值，而是一個字符串，那么字符串對象就會從 int 變?yōu)?raw。比如 APPEND 命令等。

另外，對于 embstr 編碼的字符串，由于 Redis 沒有為其編寫任何相應(yīng)的修改程序，所以 embstr 編碼的字符串對象實際上是只讀的。當(dāng)我們對 embstr 編碼的字符串對象執(zhí)行任何修改命令時，程序都會先將對象的編碼從 embstr 轉(zhuǎn)換成 raw。也就是說，embstr 編碼的字符串一旦修改，一定會轉(zhuǎn)換成 raw 編碼的字符串對象。

對于字符串對象各個編碼的情況，總結(jié)如下：

列表對象的可選編碼分別是：quicklist（3.2 版本前是 ziplist 和 linkedlist）。

3.2 版本引入了 quicklist 編碼，此編碼結(jié)合了 ziplist 和 linkedlist，使用雙向鏈表的形式，在每個節(jié)點上存儲一個 ziplist，而每個 ziplist 又可以存儲多個鍵值對。也就是說，quicklist 每個節(jié)點上存儲的不是一個數(shù)據(jù)，而是一片數(shù)據(jù)。

執(zhí)行以下命令，服務(wù)器將會創(chuàng)建一個列表對象，quicklist 結(jié)構(gòu)如圖 8 所示：

127.0.0.1:7379> RPUSH animal "dog" "cat" "pig"
(integer) 3
(5.12s)
127.0.0.1:7379> OBJECT ENCODING animal
"quicklist"

Redis 自己實現(xiàn)了一套對象系統(tǒng)來實現(xiàn)所有功能。

對象有對象類型和對象編碼。

對象類型對應(yīng)字符串、列表、哈希、集合、有序集合五種。

對象編碼對應(yīng)跳躍表、壓縮列表、集合、動態(tài)字符串等八種底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。