Redis的对象

Redis的主要数据结构：简单动态字符串、双端列表、字典、整数结合、跳跃表、压缩列表等。

Redis没有直接使用这些数据结构来实现键值对数据库，而是基于这些数据结构构建了一个对象系统，这个系统包括字符串对象，列表对象，哈希对象，集合对象和有序集合对象这五种类型的对象，每种对象都用到了至少一种前面所介绍的数据结构。

1、对象的结构

Redis使用对象来表示数据库的键和值。每个对象都是一个redisObject结构，是一个按照位段存储的结构，节约内存：

typedef struct redisObject{
    //类型
    unsigned type :4;
    //编码
    unsigned encoding:4;
    //指向底层实现数据结构的指针
    void *ptr;
    ...
} robj;

• type是类型常量，记录对象的类型：

  

• encoding记录对象使用的编码，即对象底层实现使用的具体数据结构：

  

  使用object encoding命令可以查看键的值对象的编码，每个对象都至少使用两种不同编码常量：

  

• 对象的ptr指针指向对象的底层实现数据结构，而这些数据结构由对象的encoding属性决定。

2、字符串对象

字符串对象可以是int，raw或embstr。

• 如果字符串对象保存的是整数值，且这个整数值可用long类型表示，底层就会以REDIS_ENCODING_INT编码来实现。
• 如果字符串对象保存的是字符串值，且这个字符串值的长度<=39字节，底层编码就是REDIS_ENCODING_EMBSTR，使用embstr编码的方式保存字符串。
• 如果字符串对象保存的是字符串值，且这个字符串值的长度>39字节，字符串值将使用一个SDS保存，底层编码为REDIS_ENCODING_RAW。

embstr编码

embstr编码是专门用于保存短字符串的一种优化编码方式，与raw的效果相同，都使用redisObject和sdshdr结构来表示字符串对象，但raw编码会调用两次内存分配函数分别创建redisObject和sdshdr结构。而embstr编码则通过调用一次内存分配函数来分配一块连续空间，空间依次包括redisObject和sdshdr俩结构。

使用embstr编码保存短字符串的优点：

• 内存分配次数从raw编码的2次降为1次。
• 释放embstr编码的字符串对象只需调用1次内存释放函数，而释放raw编码的字符串对象需要两次。
• embstr编码的字符串对象的所有数据都保存在一块连续的内存中，能更好地利用缓存带来的优势.

注：浮点数的存储，在Redis底层也会以字符串的形式保存。在有需要时，程序会将字符串对象中的字符串值转为浮点数值执行运算操作，然后再将结果转为字符串值保存。

编码的转换

int->raw：执行一些命令，使得int编码的字符串对象保存的不再是整数值，而是字符串值时。比如整数追加字符串。

embstr->raw：Redis没有为embstr编写修改程序，所以是只读的，当embstr编码的字符串修改后，就变成raw编码的字符串对象。

3、列表对象

列表对象的编码是ziplist或linkedlist。

当列表可以同时满足以下两个条件时，列表对象使用ziplist编码，否则使用linkedlist编码。：

• 列表对象保存的所有字符串元素的长度都<64字节
• 列表对象保存的元素数量<512个

使用ziplist编码，执行RPUSH elements 1 "three" 5，后的数据结构：

使用linkedlist编码，执行RPUSH elements 1 "three" 5，后的数据结构：

注：SDS对象都以StringObject代替。

4、哈希对象

哈希对象的编码可以是ziplist或hashtable。

• ziplist编码的哈希对象使用压缩列表作为底层实现：每当有新的键值对插入哈希对象时，Redis会先将保存键的压缩列表节点推入表尾，再将保存值的压缩列表节点推入表尾。

  

• hashtable编码的哈希对象使用字典作为底层实现：字典的每个键都是一个字符串对象，保存键；字典的每个值都是字符串对象，保存值。

  

当哈希对象可以同时满足下两个条件时，使用ziplist编码，否则使用hashtable编码：

• 哈希对象保存的所有键值对的值和键都<64字节
• 哈希对象保存的键值对数量<512个

5、集合对象

集合对象的编码可以是intset或hashtable。

intset编码集合对象：

如果以hashtable编码的集合对象使用字典作为底层实现，字典的每个键都是一个字符串对象，每个字符串对象包含了一个集合对象，而字典的值则全都是null。

当集合对象同时满足以下两个条件时，使用intset编码，否则使用hashtable编码：

• 集合对象保存的所有元素都是整数值
• 集合对象保存的元素数量<=512个

6、有序集合对象

有序集合的编码可以是ziplist或skiplist。

ziplist编码的有序集合对象使用压缩列表作为底层实现，每个集合元素使用两个紧挨在一起的压缩列表节点来保存，第一个节点保存元素的成员，而第二个元素则保存元素的分值。

skiplist编码的有序集合对象使用zset结构作为底层实现，一个zset结构同时包含一个字典和一个跳跃表：

typedef struct zset{
    zskiplist *zsl;
    dict *dict;
} zset;

zset结构中的dict跳跃表按分值从小到大保存了所有集合元素，每个跳跃表节点都保存了一个集合元素：跳跃表节点的object属性保存了元素的成员，score属性则保存了元素的分值。

zset结构中的dict字典为有序集合创建了一个从成员到分值的映射，字典中的每个键值对都保存了一个集合元素：字典的键保存元素，字典值保存分值。通过字典，可以用O(1)复杂度查找给定成员的分值。有序集合元素都是字符串对象，分值都是double类型浮点数。zset的跳跃表和字典通过指针来共享相同元素的成员和分值，不会浪费额外内存。

当有序集合对象同时满足以下两条件时，对象使用ziplist编码，否则使用skiplist编码：

• 有序集合保存的元素数量<128个
• 有序集合保存的所有元素成员的长度都<64字节

为什么有序集合需要同时使用跳跃表和字典来实现？

==

7、类型检查与命令多态

Redis中用于操作键的命令可分为两种类型。

• 一种是可对任何类型的键执行，如del，expire，rename等。

• 另一种命令只能对特定类型的键执行，如set，get，hdel，hset，rpush等。如果对特定类型使用其他类型的命令，那么就会报错。

类型检查的实现

为了确保只有指定类型的键可以执行某些特定命令，在执行前，Redis会先通过RedisObject的type属性检查输入键的类型是否正确，再决定是否执行给定的命令。

多态命令的实现

Redis除了根据值对象判断键是否能够执行制定命令外，还会根据值对象的编码方式，选择正确的命令实现代码来执行。比如基于编码的多态，列表对象的编码可能是ziplist或linkedlist，所以需要多态命令执行对应编码的API。

基于类型的多态——一个命令可以同时处理多种不同类型的键。

基于编码的多态——一个命令可以同时处理多种不同编码。

8、内存回收

由于C语言没有内存回收机制，所以Redis在对象系统中构建了一个引用计数器技术实现内存回收机制。每个对象的引用计数器信息由redisObject的refcount来记录。当对象的引用计数值为0时，所占用的内存会被释放。

typedef struct redisObject{
    //...
    // 引用计数
    int refcount;
    //...
} robj;

9、对象共享

引用计数器还有共享对象的作用。如果两个不同键的值都一样（必须是整数值的字符串对象），则将数据库键的值指针指向一个现有的值对象，然后将被共享对象的引用计数加一。如果不是整数值的对象，则需要耗费大量的时间验证共享对象和目标对象是否相同，复杂度较高，消耗CPU时间，所以Redis不会共享包含字符串的对象。

Redis在初始化服务时，会创建很多字符串对象，包含0~9999的整数（和Integer的常量池有点像），当需要时，就会使用这些共享对象，而不是新创建对象。

10、对象的空转时长

redisObject还包含了lru属性，记录对象最后一个被命令程序访问的时间。object idletime命令可打印键的空转时长，就是当前时间减去lru时间计算得到的。

typedef struct redisObject{
    //...
    // 引用计数
    unsigned lru:22;
    //...
} robj;