Redis字符串鍵的底層原理

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• Redis基礎

導入

redis的命令以下：

            set x "hello";
            get x;
            hello    

　　Redis做爲一種存儲字符串的緩存結構，其具體實現是由C語言完成，在C語言中，字符串是經過字符數組實現的，即char[]，那麼Redis對於字符串的實現是否是也是基於字符數組嗎？不是的，Redis對字符串的處理是經過SDS(Simple Dynamic String)實現的。

SDS介紹

　　SDS(Simple Dynamic String)簡單動態字符串，它是由C語言完成，以下是其具體實現

Redis做爲一種存儲字符串的緩存結構，其具體實現是由C語言完成，在C語言中，字符串是經過字符數組實現的，即char[]，那麼Redis對於字符串的實現是否是也是基於字符數組嗎？不是的，Redis對字符串的處理是經過SDS(Simple Dynamic String)實現的。

struct sdshdr{
    //記錄buf數組已使用字節的數量
    //等於SDS所保存字符串的長度
    int length; 
    //記錄buf數組未使用字節的數量
    int free;
    //buf數組
    char[] buf;
};
 
看看redis的示例：
    sdshdr
    free 0
    length 5
    buf     -->|'R'|'e'|'d'|'i'|'s'|'\0'|
解釋：
        - free爲0，表示這個SDS沒有分配任何未使用的空間
        - length爲5，表示這個SDS保存了一個長度爲5的字符串    
        - buf數組中保存着「Redis」字符串

　　SDS遵循C字符串以空字符串結尾的慣例，保存空字符串的1字節空間不計算在SDS的len屬性之中。

　　再看看SDS的free不爲0的狀況：

　　 sdshdr
    free 3
    length 5
    buf      -->|'R'|'e'|'d'|'i'|'s'| | | |

　　free的值爲3，表示這個SDS分配了三個空閒的空間

SDS與字符串的區別

　　C語言使用簡單的字符串表示方式，並不能知足Redis對字符串在安全性，效率，以及功能方面的要求，SDS更使用Redis。

@1 常數複雜度獲取字符串長度

C字符串：
　　由於C語言並不記錄自身的長度信息，因此獲取一個C字符串的長度，程序必須遍歷整個字符串，對遇到的，每一個字符進行計數，直到遇到表明字符串結尾的空字符串爲止，這個操做的複雜度爲O(n)。

SDS:
　　與C語言不一樣的是，SDS結構中的屬性length記錄了SDS自己的長度，因此獲取一個SDS長度的複雜度爲O(1)。有人疑問那麼SDS的length值是哪來的？這裏的length值是SDS API在設置和更新SDS時自動完成的。

總結1：經過使用SDS而不是C字符串，Redis獲取字符串長度的複雜度由O(N)降爲O(1)，這確保了字符串長度的獲取的工做不會成爲Redis的性能瓶頸。

@ 2杜絕緩衝區溢出

C字符串：
　　因爲C自身不記錄字符串的長度帶來一個問題是容易形成緩衝區溢出（buffer overflow）。在<string.h>/strcat函數中，能夠將一個字符串拼接到另一個字符串的末尾。

`char *strcat(char *dest,const char *src)`

　　理想狀態下，用戶在使用這個函數時，假定C爲dest分配了足夠多的內存，能夠容納src字符串中的全部內容，而一旦這個假定不成立，就會產生緩衝區溢出。舉個例子，假定內存中有相鄰的兩個字符串s1，s2，如圖：

　　  s1                        s2
     |                         |
...|'R'|'e'|'d'|'i'|'s'|'\0'||'g'|'o'|'o'|'d'|'\0'|...

　　若是執行strcat(s1," cluster");將Redis改成」Redis cluster「，可是粗心的卻忘了在執行這句以前爲s1分配足夠的空間，那麼在執行以後，s1的數據將會溢出到s2所在的空間，致使s2保存的內容意外的被修改。

SDS:

　　與C語言不一樣的是，SDS空間分配政策徹底杜絕了發生緩衝區溢出的可能性：當SDS API須要對字符串進行修改時，首先會檢查SDS的空間是否知足修改所需的要求，由於SDS自身有對字符串長度記錄的屬性length和空閒空間屬性free，能夠藉助這兩個參數進行檢查。SDS會在執行動做以前判斷SDS的空間大小，再去執行操做，若是空間不夠的話，SDS API會自動擴展空間。

　　

@ 3減小修改字符串時帶來的內存重分配次數

C字符串：

　　由於C字符串不記錄自身長度，每次增加或者縮短字符串長度時，程序都要對這個C字符串數組進行一次內存從新分配操做，否則容易形成內存益出。由於內存，分配設計複雜的算法，而且可能須要執行系統調用，因此它一般是一個比較耗時和耗能的操做。可是Redis做爲緩存，追求速度，因此不能常常發生內存分配操做。

SDS:

　　SDS數組中的未使用空間字節數量由SDS的屬性free記錄，經過free記錄，SDS實現了空間預分配和惰性釋放兩種優化策略。
1. 空間預分配
　　空間預分配用於優化SDS的字符串增加操做：當SDS的API對一個SDS進行修改，而且須要對SDS的空間進行擴展時，程序不只會爲SDS分配修改所須要的空間，並且還會爲SDS分配額外的空間。額外的空間分配規則以下：

（1）若是修改SDS以後，SDS的長度小於1MB，那麼程序會給SDS分配和length同樣大的額外空間，這是SDSlength和free的值相等。舉個例子，若是修改後的字符串長度爲13k，那麼SDS的空間將會佔據13+13+1=27k（額外的一個字節用於保存空字符串）。

（2）若是修改SDS以後，SDS的長度大於1MB，那麼程序會給SDS分配額外的1MB空間，舉個例子，好比修改後的SDS有30MB的大小，那麼程序會分配1MB的未使用空間，SDS的buf數組實際大小將是30MB+1MB+1byte。

2.惰性釋放

　　惰性釋放用於優化SDS的字符串縮短操做：當SDS的API要縮短SDS保存的字符串時，程序並不須要當即使用內存重分配策略來回收縮短後多出來的字節，而是使用free屬性將這些字節記錄起來，並等待使用。

@4 二進制安全

　　C字符串中的字符必須符合某種編碼（好比ASCII），而且除了字符串末尾以外，字符串裏面不能包含空字符串，不然最早被程序讀入的空字符串將被誤認爲是字符串結尾。

SDS API都是二進制安全的，全部SDS API都會以處理二進制的方式來處理存放在SDS buf中的數據，數據寫什麼樣，它被讀取時就是什麼樣子。

@5 兼容部分C字符串函數

　　SDS的API總會以SDS保存的數據的末尾設置爲空字符串，而且在分配SDS空間時會多分配一個字節的空間來容納空字符串，這是爲了那些保存的數據能夠重用一部分<string.h>庫中的函數。

總結

字符串和SDS之間的區別總結以下：

 

 

 

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