Redis 數據結構 之 SDS

SDS(simple dynamic string)，簡單動態字符串。s同時它被稱爲 Hacking String。hack 的地方就在 sds 保存了字符串的長度以及剩餘空間。sds 的實如今 sds.c 中。

C語言字符串使用長度爲n+1的字符數組來表示長度爲n的字符串，而且字符數組的最後一個元素老是空字符'\0'，這樣的方式存儲，時存在安全隱患的，而且它不能知足效率方面的需求。

所以Redis沒有使用C原生的string而是本身構建了SDS。在Redis裏，C語言字符串只用於一些無須對字符串值進行修改的地方，好比：日誌。

在Redis中，包含字符串值的鍵值對都是使用SDS實現的，除此以外，SDS還被用於AOF緩衝區、客戶端狀態的輸入緩衝區。

SDS定義

struct sdshdr{
     //字節數組
     char buf[]; 
     //buf數組中已使用字節數量
     int len;
     //buf數組中未使用字節數量
     int free;
}

如上圖所示，len表示該SDS保存了一個6字節長度（不包含結束符）的字符串，free表示該SDS還有6個字節的未使用空間，buf是一個char類型的數組 ，保存了該SDS所存儲的字符串值。

高效

相比C語言字符串，使獲取字符串長度時間複雜度降爲O(1)而C原生的獲取長度爲O(N) 遍歷整個數組。

安全

同時SDS杜絕緩衝區溢出，不會像C那樣形成數組數據不安全，絕對不會越界。

當須要對SDS進行修改時，API會先檢查SDS當前剩餘空間是否知足修改以後所需的空間，若是不知足的話API會自動將SDS的空間擴展至足夠用的空間而後才進行下一步操做，因此SDS不會出現緩衝區溢出問題。

減小內存分配

C語言字原生符串底層是使用一個n+1個字符長度的char類型數據實現的，因此每次增加或縮短一個原生字符串，程序都要對這個字符串數組進行一次內存重分配操做：

同時由於內存重分配涉及複雜的算法，而且可能須要執行系統調用，因此它一般是一個比較耗時的操做。Redis常常被用於速度要求嚴苛、數據被頻繁修改的場合，若是每次修改字符串都須要執行一次內存重分配的話，那麼對於性能會形成很大影響。

SDS 在分配了內存以後（每每空間會存在盈餘，也就是空間的預分配），而後本身經過len 和 free 來維護已使用的和未使用的內存，再也不依賴系統來從新劃分，這樣能有效的提高性能。

空間預分配

用於字符串增加操做，當字符串增加時，程序會先檢查需不須要對SDS空間進行擴展，若是須要擴展，程序不只會爲SDS分配修改所必要的空間，還會爲SDS分配額外的未使用空間，額外分配的未使用空間公式以下：

SDS空間 < 1MB

若是對SDS修改以後，SDS的長度（修改以後len屬性的值）小於1MB，那麼則分配和len屬性一樣大小的未使用空間，這時SDS的len屬性和free屬性的值相同。如：若是修改以後SDS的len將變爲10字節，那麼程序也會分配10字節的未使用空間，SDS的buf數組實際長度變爲10 + 10 + 1 = 21（額外一個字節用於保存結束符\n）

SDS空間 > 1MB

若是對SDS修改以後，SDS的長度大於等於1MB，那麼程序會分配1MB的未使用空間。如：修改以後的len將變爲10MB，那麼程序會分配1MB的未使用空間，SDS的bug數組長度爲10MB + 1MB + 1byte

SDS空間 > 512MB

Game over~ 報錯！

惰性空間釋放

用於優化SDS的字符串收縮操做，當字符串收縮時，程序不會當即執行內存重分配來回收收縮後內存多出來的空間，而是使用free屬性記錄下來，以備未來使用。

經過空間預分配，Redis能夠減小連續執行字符串增加操做所需的內存重分配次數，經過惰性空間釋放，SDS避免了縮短字符串時所需的內存重分配操做，併爲未來由可能的增加操做提供了優化。