深入了解Redis

前言：

        Redis有那些数据类型？String，List，set，zset，hash 没了？还有HyperLogLog，bitMap，GeoHash，BloomFilter 就这？

        百分之九十以上的人都能回答上来那五种基本数据类型吧，但要是这样回答面试官，怕不是回家等通知啦。

 

 

        一场面试少说都是半小时起步上不封顶，你这样一句话就回答了这么重要的五个知识点，这个结果是你想要的么？是面试官想要的么？

        面试官如果问：String在Redis底层是怎么存储的？这些数据类型在Redis中是怎么存放的？Redis快的原因就只有单线程和基于内存么？

 正文：

        Redis是C语言开发的，C语言自己就有字符类型，但是Redis却没直接采用C语言的字符串类型，而是自己构建了动态字符串（SDS）的抽象类型。

        SDS在Redis中除了用作字符串，还用作缓冲区（buffer），那到这里大家都还是有点疑惑的，C语言的字符串不好么为啥用SDS？SDS长啥样？有什么优点呢?

        遇事不爽看源码，通过redis源码可以看到SDS值的结果大概是这样的，源码的在GitHub上是开源的大家一搜就有了。

struct sdshdr{
 int len;
 int free;
 char buf[];
}

        为什么Redis用了自己新开发的SDS，而不用C语言的字符串？那好我们去看看他们的区别。

SDS与C字符串的区别

• 计数方式不同

        C语言对字符串长度的统计，就完全来自遍历，从头遍历到末尾，直到发现空字符就停止，以此统计出字符串的长度，这样获取长度的时间复杂度来说是0（n），大概就像下面这样：

        但是这样的计数方式会留下隐患，所以Redis没有采用C的字符串，我后面会提到。

        而Redis我在上面已经给大家看过结构了，他自己本身就保存了长度的信息，所以我们获取长度的时间复杂度为0（1），是不是发现了Redis快的一点小细节了？还没完，不止这些。

• 杜绝缓冲区溢出

        字符串拼接是我们经常做的操作，在C和Redis中一样，也是很常见的操作，但是问题就来了，C是不记录字符串长度的，一旦我们调用了拼接的函数，如果没有提前计算好内存，是会产生缓存区溢出的。

比如本来字符串长这样：

你现在需要在后面拼接 ，但是你没计算好内存，结果就可能这样了：

        这是你要的结果么？很显然，不是，你的结果意外的被修改了，这要是放在线上的系统，这不是完了？那Redis是怎么避免这样的情况的？

        我们都知道，他结构存储了当前长度，还有free未使用的长度，那简单呀，你现在做了拼接操作，我去判断一些是否可以放得下，如果长度够就直接执行，如果不够，那我就进行扩容。

        这些大家在Redis源码里面都是可以看到对应的API的，后面我就不一一贴源码了，有兴趣的可以自己去看一波，需要一点C语言的基础。

• 减少修改字符串时带来的内存重分配次数

        C语言字符串底层也是一个数组，每次创建的时候就创建一个N+1长度的字符，多的那个1，就是为了保存空字符的，这个空字符也是个坑，但是不是这个环节探讨的内容。

        Redis是个高速缓存数据库，如果我们需要对字符串进行频繁的拼接和截断操作，如果我们写代码忘记了重新分配内存，就可能造成缓冲区溢出，以及内存泄露。

        内存分配算法很耗时，且不说你会不会忘记重新分配内存，就算你全部记得，对于一个高速缓存数据库来说，这样的开销也是我们应该要避免的。

Redis为了避免C字符串这样的缺陷，就分别采用了两种解决方案，去达到性能最大化，空间利用最大化：

1. 空间预分配：当我们对SDS进行扩展操作的时候，Redis会为SDS分配好内存，并且根据特定的公式，分配多余的free空间，还有多余的1byte空间（这1byte也是为了存空字符），这样就可以避免我们连续执行字符串添加所带来的内存分配消耗。

比如现在有这样的一个字符：

我们调用了拼接函数，字符串边长了，Redis还会根据算法计算出一个free值给他备用：

我们再继续拼接，你会发现，备用的free用上了，省去了这次的内存重分配：

 

1. 惰性空间释放：刚才提到了会预分配多余的空间，很多小伙伴会担心带来内存的泄露或者浪费，别担心，Redis大佬一样帮我们想到了，当我们执行完一个字符串缩减的操作，redis并不会马上收回我们的空间，因为可以预防你继续添加的操作，这样可以减少分配空间带来的消耗，但是当你再次操作还是没用到多余空间的时候，Redis也还是会收回对于的空间，防止内存的浪费的。

还是一样的字符串：

当我们调用了删减的函数，并不会马上释放掉free空间：

如果我们需要继续添加这个空间就能用上了，减少了内存的重分配，如果空间不需要了，调用函数删掉就好了：

• 二进制安全

        仔细看的仔肯定看到上面我不止一次提到了空字符也就是’\0‘，C语言是判断空字符去判断一个字符的长度的，但是有很多数据结构经常会穿插空字符在中间，比如图片，音频，视频，压缩文件的二进制数据，就比如下面这个单词，他只能识别前面的 不能识别后面的字符，那对于我们开发者而言，这样的结果显然不是我们想要的对不对。

        Redis就不存在这个问题了，他不是保存了字符串的长度嘛，他不判断空字符，他就判断长度对不对就好了，所以redis也经常被我们拿来保存各种二进制数据，我反正是用的很high，经常用来保存小文件的二进制。

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资料参考：Redis设计与实现