浅析Redis中String数据类型及其底层编码

从 RedisObject 说起

在 Redis 中，任意数据类型的键和值都会被封装为一个 RedisObject ，也叫做Redis对象，源码如下

/*server.h*/
typedef struct redisObject {
    unsigned type:4;
    unsigned encoding:4;
    unsigned lru:LRU_BITS; /* LRU time (relative to global lru_clock) or
                            * LFU data (least significant 8 bits frequency
                            * and most significant 16 bits access time). */
    int refcount;
    void *ptr;
} robj;

我们来看一下这个结构体中的成员变量分别代表什么：

• unsigned type:4：对象类型，分别是string hash list set zset，占 4 个 bit 位，如下所示

#define OBJ_STRING 0    /* String object. */
#define OBJ_LIST 1      /* List object. */
#define OBJ_SET 2       /* Set object. */
#define OBJ_ZSET 3      /* Sorted set object. */
#define OBJ_HASH 4      /* Hash object. */

• unsigned encoding:4： 底层编码方式，共有 11 种，4 个 bit 位

• unsigned lru:LRU_BITS ：该对象最后一次被访问的时间，占 24 个 bit ，在 Redis 内存回收中起到关键作用

• int refcount ：对象引用计数器，计数器为 0 则说明对象无人引用，可以被回收

• void *ptr：指针，指向存放实际数据的空间

我们注意到，在 Redis 中有 5 中数据结构（用户使用的），但在底层却有 11 种编码方式，Redis 会根据存储的数据类型、存储数据的大小，选择不同的编码方式，以获得最优的性能。一种数据结构会对应多种数据结构，如下表所示。

下面，我们现在介绍以下 String 数据类型，及其底层的编码方式。

Redis 数据结构 -- String

String 类型的基本介绍和命令

String 类型，也就是字符串类型，是Redis中最简单的存储类型。它可以存储字符串、整数或浮点数。下面是一些 String 类型常用的命令

• SET key value：设置指定 key 的值为指定的字符串或数字。

• GET key：获取指定 key 的值。

本地虚拟机redis:0>set key01 value01
"OK"
本地虚拟机redis:0>get key01
"value01"

• INCR key：将指定 key 的值加 1，如果该 key 不存在，则先将其设置为 0，再进行加 1 操作。

• DECR key：将指定 key 的值减 1，如果该 key 不存在，则先将其设置为 0，再进行减 1 操作。

• INCRBY key increment：将指定 key 的值增加指定的增量。

• DECRBY key decrement：将指定 key 的值减少指定的减量。

• APPEND key value：将指定的值追加到指定 key 的值的末尾。

• STRLEN key：返回指定 key 的值的长度。

• GETRANGE key start end：返回指定 key 的值的子字符串，根据起始位置和结束位置指定。

• SETRANGE key offset value：将指定 key 的值从指定偏移位置开始，替换为指定的字符串。

• MSET key1 value1 [key2 value2 ...]：同时设置多个 key 的值。（”[ ]” 中括号内表示可选）

• MGET key1 [key2 ...]：获取多个 key 的值。

???? 这里仅给出 SET、GET 命令，其他的请自行测试。这些命令只是 Redis String 类型命令的一小部分，Redis 还提供了其他更多的命令来处理 String 类型的数据。你可以参考 Redis 官方文档以获取完整的命令列表和详细的命令说明。

String 类型的底层实现

在 Redis 中，String 类型的数据结构并不是采用 C 语言中自带的字符串类型，C 语言中的数据结构存在很多问题，比如：

• 获取字符串长度的需要通过运算
• 非二进制安全
• 不可修改

因此，String 在 Redis 中有其他三种编码方式： int、embstr、raw 。其中， raw 和 embstr 类型，都是基于动态字符串（SDS）实现的，下面我们先来看看动态字符串的结构是怎样的。

动态字符串（SDS）

动态字符串的结构体如下

struct __attribute__ ((__packed__)) hisdshdr8 {
    uint8_t len; /* used */
    uint8_t alloc; /* excluding the header and null terminator */
    unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits */
    char buf[];
};

这里解释一下结构体中各个成员变量的作用：

• len：已经保存的字符串字节数，不包含结束标示
• alloc：申请的总的字节数，不包含结束标示
• flags：不同的 SDS 的头类型，用来控制 SDS 的头大小
• buf[]：真正存储数据

我们先来聊一下 flags 这个成员变量。在 redis 中其实定义了 5 个 SDS结构体（其中 hisdshdr5 已经弃用）如图所示。他们之间的主要区别在于 len 和 alloc 的长度不同。

在 redis 中，为了尽可能地节省内存空间，当字符串长度在不同的区间时，会选择不同的结构体，例如：

• 当字符串长度在 0~255 个字节之间时，会选择 hisdshdr8 ，这样一来，用于表示字符串字节数和申请的总字节数的空间就会被大大节省，以此类推。

例如，一个包含字符串“name”的 sds 结构如下：

SDS之所以叫做动态字符串，是因为它具备动态扩容的能力，例如一个内容为 “hello” 的 SDS，假如我们要给这个 SDS 追加一段字符串 ”world” ，这里首先会申请新内存空间：

• 如果新字符串小于1M，则新空间为扩展后字符串长度的两倍+1
• 如果新字符串大于1M，则新空间为扩展后字符串长度+1M+1。

这种机制称为内存预分配。内存预分配可以减少进行内存重新分配的开销，减少内存碎片，使得 redis 的性能得到提高，空间利用率也得到提高。

String 的三种编码方式

RAW

• raw 是 string 的基本编码方式，基于简单动态字符串（SDS）实现，存储上限为512mb。当一个字符串采用 raw 的编码方式的时候，它的结构如图所示。

EMBSTR

• 如果存储在 SDS 中的数据小于等于 44 字节，则会采用 EMBSTR 编码，此时 **RedisObject 与 SDS 是一段连续空间。而不是像 RAW 的编码方式一样，由 ptr 指向另外一片空间，**申请内存时只需要调用一次内存分配函数，效率更高。结构如下，

???? 为什么是 44 字节？Redis 默认的内存分配器 jemalloc 分配内存大小的单位是 $2^n$ ，因此，如果分配的空间大小为 2、4 、8 … 字节等 $2^n$ 字节，就不会产生内存碎片。

而 redisObject 和 hisdshdr8 中 len alloc flags三个成员变量加起来刚刚好是 16 + 4 = 20 字节，如果 char[] （数据大小）的大小为 44 字节时，加起来刚刚好是 64 字节，也即 262^626 不会产生内存碎片。

• RAW 和 EMBSTR 的编码演示

/* 44个v,采用embstr编码*/
本地虚拟机redis:0>set key vvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvv
"OK"
本地虚拟机redis:0>object encoding key
"embstr"
/* 45个v,采用embstr编码*/
本地虚拟机redis:0>set key vvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvv
"OK"
本地虚拟机redis:0>object encoding key
"raw"

INT

• 如果存储的字符串是整数值，并且大小在 LONG MAX 范围内，则会采用 INT 编码
• 直接将数据保存在 RedisObject 的 ptr 指针位置（刚好8字节)，不再需要SDS了。

• INT 编码演示

本地虚拟机redis:0>set key 12
"OK"
本地虚拟机redis:0>object encoding key
"int"

写在最后：在使用 string 类型时，尽可能让其长度小于 44 字节，或者使用整数表示，使其使用 EMBSTR 和 INT 编码

以上就是浅析Redis中String数据类型及其底层编码的详细内容，更多关于Redis Redis数据类型及编码的资料请关注萤火虫技术其它相关文章！