Redis 整数集合的具体使用(intset)

一、集合概述

        对于集合，stl 的 set 相信大家都不陌生，它的底层实现是红黑树。无论插入、删除、查找都是 o(log n) 的时间复杂度。当然，如果用哈希表来实现集合，插入、删除、查找都可以达到 o(1)。那么为什么集合要用红黑树和没有用哈希表呢？我想，最大的可能是基于集合自身的特性，集合有它特有的操作：求交、求并、求差。这三个操作对于哈希表来说都是 o(n) 的。基于这一点，相比无序的哈希表来说，采用有序的红黑树会更加合适。

二、redis 整数集合（intset）

        今天要讲的整数集合，又称为 intset，是 redis 特有的数据结构。它的实现既不是红黑树，也不是哈希表。就是简单的数组加上内存编码。当存储元素较少（ 元素个数上限定义在server.h 的 obj_set_max_intset_entries 宏定义值为512）且均为整型时，才会使用到整数集合。它的查找是 o(log n) 的，插入和删除都是 o(n) 的。但是由于存储元素相对较少的时候，o(log n) 和 o(n) 差距不是很大，但是用 redis 的这种整数集合，相比红黑树和哈希表来说，可以大大减少内存。
        所以，redis 的 整数集合 intset 的存在主要还是为了节省内存。

1、intset 结构定义

        intset 结构定义在 intset.h 中：

        a) encoding 指定了编码方式，总共有 intset_enc_int16、intset_enc_int32、intset_enc_int64 三种。从宏定义可以看出，这三个值分别为 2、4、8。从字面意思可以看出三者能表示的范围是 16位整数、32位整数 以及 64位整数。
        b) length 存储了整数集合的元素个数。
        c) contents 为整数集合的柔性数组，元素类型并不一定是 int8_t 类型的。 contents 不占用结构体的大小，它只作为整数集合数据的首指针。整数集合中的元素按照从小到大的顺序在 contents 中排列起来。

2、编码方式

        首先，我们来理解编码方式 encoding 的含义。需要明确的一点是，对于一个整数集合来说，所有的元素的编码一定是一致的（否则每个数都得存一个编码，而不是将它存在 intset 结构体内了），那么整个整数集合的编码取决于集合中“绝对值”最大的那个数（之所以是绝对值，因为整数包含正数和负数）。
        通过那个绝对值最大的整数来获取编码，实现如下：

        这段代码的含义是，如果整数 v 不能用 32位整数表示，那么就需要用 intset_enc_int64 编码；如果不能用 16位整数表示，那么就需要用 intset_enc_int32 编码；否则，采用 intset_enc_int16 编码就行。核心就是：能用2个字节表示就不用4个字节，能用4个字节表示就不用8个字节，能省则省。
        几个宏定义在 stdint.h 中，如下：

3、编码升级

        当前编码方式不足以存储更大位数的整数时，需要升级编码。举个例子，下图所示的四个数字都在 [ -32768, 32767 ] 范围内，所以采用 intset_enc_int16 编码即可。contents 的数组长度为 sizeof(int16_t) * 4 = 2 * 4 = 8 个字节 （ 即64个二进制位 ）。

        然后我们插入一个数，它的值为 32768，比 int16_max 大1，所以它需要采用 intset_enc_int32 编码，而整数集合中所有的数的编码需要保持一致。那么，所有数的编码都需要转为 intset_enc_int32 编码。这就是 “升级”。如图所示：

        升级完后，contents 数组的长度变为 sizeof(int32_t) * 5 = 4 * 5 = 20 个字节 （ 即160个二进制位 ）。而且每个元素占用的内存都扩大一倍，所在的相对位置也发生了变化，导致所有的元素都需要往高位内存迁移。
        那我们一开始就把所有的整数集合都用 intset_enc_int64 来编码不就好了，还省得麻烦。原因是 redis 设计 intset 的初衷还是为了节省内存，设想一个集合的元素永远都不会超过 16位 整数，那么用 64位整数的话，相当于浪费了 3倍 的内存。

三、整数集合常用操作

1、创建集合

        创建一个整数集合 intsetnew，实现在 intset.c 中：

       初始创建的整数集合为空集合，用 zmalloc 进行内存分配后，定义编码为 intset_enc_int16，这样可以使内存尽量小。这里需要注意的是，intset 的存储直接涉及到内存编码，所以需要考虑主机的字节序问题（相关资料请参阅：）。
       intrev32ifbe 的意思是 int32 reversal if big endian。即 如果当前主机字节序为大端序，那么将它的内存存储进行翻转操作。简言之，intset 的所有成员存储方式都采用小端序。所以创建一个空的整数集合，内存分布如下：

       了解了整数集合的内存编码以后，我们来看看它的 设置 （set）和 获取（get）。

2、元素设置

       设置 的含义就是给定整数集合以及一个位置和值，将值设置到这个整数集合的对应位置上。_intsetset 实现如下：

       a) 大端序和小端序只是存储方式，encoding 在存储的时候进行了一次 intrev32ifbe 转换，取出来用的时候需要再进行一次 intrev32ifbe 转换（其实就是序列化和反序列化）。
       b) 根据 encoding 的类型，将 contents 转换成指定类型的指针，然后用 pos 进行索引找到对应的内存位置，然后将 value 的值设置到对应的内存中。
       c) memrev64ifbe 的实现参见 字节序 的 memrev64 函数，即将对应内存的值转换成小端序存储。

3、元素获取

       获取 的含义就是给定整数集合以及一个位置，返回给定位置的元素的值。_intsetget 实现如下：

       a) 根据 encoding 的类型，将 contents 转换成指定类型的指针，然后用 pos 进行索引找到对应的内存位置，将内存位置上的值拷贝到临时变量中；
       b) 由于是直接的内存拷贝，所以取出来的值还是小端序的，那么在大端序的主机上得到的值是不对的，所以需要再做一次 memrev64ifbe 转换将值还原。

 4、元素查找

       由于整数集合是有序集合，所以查找某个元素是否在整数集合中，redis 采用的是二分查找。intsetsearch 实现如下：

       a) 整数集合为空，返回0表示查找失败；
       b) value 的值比整数集合中的最大值还大，或者比最小值还小，则返回0表示查找失败；
       c) 执行二分查找，将找到的值存在 cur 中；
       d) 如果找到则返回1，表示查找成功，并且将 pos 设置为 mid 并返回；如果没找到则返回一个需要插入的位置。

5、内存重分配

       由于 contents 的内存是动态分配的，所以每次进行元素插入或者删除的时候，都需要重新分配内存，这个实现放在 intsetresize 中，实现如下：

       encoding 本身表示字节个数，所以乘上集合个数 len 就是 contents 数组需要的总字节数了，调用 zrealloc 进行内存重分配，然后返回重新分配后的地址。
       注意：zrealloc 的返回值必须返回出去，因为 intset 在进行内存重分配以后，地址可能就变了。即 is = zrealloc(is, ...) 中，此 is 非彼 is。所以，所有调用 intsetresize 的函数都需要连带的返回新的 intset 指针。

6、编码升级

       编码升级一定发生在元素插入，并且插入的元素的绝对值比整数集合中的元素都大的时候，所以我们把升级后的元素插入和编码升级放在一个函数实现，名曰 intsetupgradeandadd，实现如下：

       a) curenc 记录升级前的编码，newenc 记录升级后的编码；
       b) 将整数集合 is 的编码设置成新的编码后，进行内存重分配；
       c) 获取原先内存中的数据，设置到新内存中（注意：由于两段内存空间是重叠的，而且新内存的长度一定大于原先内存，所以需要从后往前进行拷贝）；
       d) 当插入的值 value 为负数的时候，为了保证集合的有序性，需要插入到 contents 的头部；反之，插入到尾部；当 value 为负数时 prepend 为1，这样就可以保证在内存拷贝的时候将第 0 个位置留空。
       如图展示了一个 (-32768, 0, 1, 32767) 的整数集合在插入数字 32768 后的升级的完整过程：

        整数集合升级的时间复杂度是 o(n) 的，但是在整数集合的生命期内，升级最多发生两次（从 intset_enc_int16 到 intset_enc_int32 以及 从 intset_enc_int32 到 intset_enc_int64）。

7、内存迁移

        绝大多数情况都是在执行 插入 、删除 、查找 操作。插入 和 删除 会涉及到连续内存的移动。redis 的内部实现中有一个函数 intsetmovetail 就是用来实现内存移动的。

       a) 统计从 from 到结尾，有多少个元素；
       b) 根据不同的编码，计算出需要拷贝的内存字节数 bytes，以及拷贝源位置 src，拷贝目标位置 dst；
       c) memmove 是 string.h 中的函数：src指向的内存区域拷贝 bytes 个字节到 dst 所指向的内存区域，这个函数是支持内存重叠的；

8、元素插入

       最后，讲整数集合的插入和删除，插入调用的是 intsetadd，在 intset.c 中实现：

       a) 插入的数值 value 的内存编码大于现有集合的编码，直接调用 intsetupgradeandadd 进行编码升级；
       b) 集合元素是不重复的，如果 intsetsearch 能够找到，则将 success 置为0，表示此次插入失败；
       c) 如果 intsetsearch 找不到，将 intset 进行内存重分配，即 长度 加 1。
       d) pos 为 intsetsearch 过程中找到的 value 将要插入的位置，我们将 pos 以后的内存向后移动1个单位 （这里的1个单位可能是2个字节、4个字节或者8个字节，取决于当前整数集合的内存编码）。
       e) 调用 _intsetset 将 value 的值设置到 pos 的位置上，然后给成员变量 length 加 1。最后返回 intset 指针首地址，因为其间进行了 intsetresize，传入的 intset 指针和返回的有可能不是同一个了。

 9、元素删除

       删除元素调用的是 intsetremove ，实现如下：

       a) 当整数集合中存在 value 这个元素时才能执行删除操作；
       b) 如果能通过 intsetsearch 找到元素，那么它的位置就在 pos 上，这是通过 intsetmovetail 将内存往前挪；
       c) intsetresize 重新分配内存，并且将集合长度减1；

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