阿里面试这样问:redis 为什么把简单的字符串设计成 SDS?_数据结构

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2021开工第一天,就有小伙伴私信我,还给我分享了一道他面阿里的​​redis​​题(这家伙绝比已经拿到年终奖了),我看了以后觉得挺有意思,题目很简单,是那种典型的似懂非懂,常常容易被大家忽略的问题。这里整理出来分享一下,顺便自己巩固一下基础,希望对正在面试和想要面试的兄弟有点帮助。

题目大致是这样的

面试官:了解​​redis​​​的​​String​​数据结构底层实现嘛?

铁子:当然知道,是基于​​SDS​​实现的

面试官:​​redis​​​是用​​C​​​语言开发的,那为啥不直接用​​C​​​的字符串,还单独设计​​SDS​​这样的结构呢?

铁子:·····

阿里面试这样问:redis 为什么把简单的字符串设计成 SDS?_编程语言_02

其实看得出面试官是想看看,铁子是只停留在redis的使用层面,还是对底层数据结构有过更深入的研究,面试嘛都爱这样问大家都懂得。


我们知道​​redis​​​是用​​C​​​写的,但它却没有完全直接使用​​C​​​的字符串,而是自己又重新构建了一个叫简单动态字符串​​SDS​​(simple dynamic string)的抽象类型。

​redis​​​也支持使用​​C​​语言的传统字符串,只不过会用在一些不需要对字符串修改的地方,比如静态的字符输出。

而我们开发中使用​​redis​​​,往往会经常性的修改字符串的值,这个时候就会用​​SDS​​来表示字符串的值了。有一点值得注意:在redis数据库中,​​key-value​​​键值对含有字符串值的,都是由​​SDS​​来实现的。

比如:在​​redis​​​执行一个最简单的​​set​​​命令,这时​​redis​​会新建一个键值对。

127.0.0.1:6379> set xiaofu "程序员内点事"

此时键值对的​​key​​​和​​value​​​都是一个字符串对象,而对象的底层实现分别是两个保存着字符串​​xiaofu​​​和​​程序员内点事​​​的​​SDS​​结构。

再比如:我向一个列表中压入数据,redis 又会新建一个键值对。

127.0.0.1:6379> lpush xiaofu "程序员内点事" "程序员小富"

这时候键值对的键和上边一样,还是一个由SDS实现的字符串对象,键值对的值是一个包含两个字符串对象的列表对象了,而这两个对象的底层也是由SDS实现。

SDS结构

一个SDS值的数据结构,主要由​​len​​​、​​free​​​、​​buf[]​​这三个属性组成。

struct sdshdr{

int free; // buf[]数组未使用字节的数量

int len; // buf[]数组所保存的字符串的长度

char buf[]; // 保存字符串的数组
}

其中​​buf[]​​​为实际保存字符串的​​char​​​类型数组;​​free​​​表示buf[]数组未使用字节的数量;​​len​​表示buf[]数组所保存的字符串的长度。

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例如上图表示的是​​buf[]​​​保存长度为6个字节的字符串,未使用的字节数​​free​​​为0,但是眼尖的同学会发现这明明是7个字符,还有一个​​"\0"​​啊?

上边提到过​​SDS​​​没有完全直接使用​​C​​​的字符串,还是沿用了一些C特性的,比如遵循​​C​​​的字符串以空格符结尾的规则,这样还可以使用一部分C字符串的函数。而对于SDS来说,空字符串占用的一字节是不计算在​​len​​属性里的,会为他分配额外的空间。

简单了解SDS结构后,下边我们来看看SDS相比于C字符串有哪些优点。

效率高

举个例子:工作中使用​​redis​​​,经常会通过​​STRLEN​​​命令得到一个字符串的长度,在​​SDS​​​结构中​​len​​​属性记录了字符串的长度,所以我们获取一个字符串长度直接取​​len​​的值,复杂度是O(1)。

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而如果用C字符串,在获取一个字符串长度时,需对整个字符串进行遍历,直至遍历到空格符结束(C中遇到空格符代表一个完整字符串),此时的复杂度是O(N)。

在高并发场景下频繁遍历字符串,获取字符串的长度很有可能成为​​redis​​的性能瓶颈,所以SDS性能更好一些。

数据溢出

上边提到C字符串是不记录自身长度的,相邻的两个字符串存储的方式可能如下图,为字符串分配了合适的内存空间。

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如果此时我想把​​“程序员内点事”​​​改成​​“程序员内点事123”​​,可之前分配的内存只有6个字节,修改后的字符串需要9个字节才能放下啊,怎么搞?

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没办法只能​​侵占​​相邻字符串的空间,自身数据溢出导致其他字符串的内容被修改。

而SDS很好的规避了这点,当我们需要修改数据时,首先会检查当前SDS空间​​len​​是否满足,不满足则自动扩容空间至修改所需的大小,然后再执行修改,如下图所示。

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不过有个特殊的地方,在把​​“程序员内点事”​​​的6个字节扩容到​​“程序员内点事123”​​​9个字节后,发现​​free​​属性的值变成了扩容后字符串的总长度,这就涉及到下边要说的内存重分配策略了。

内存重分配策略

C字符串长度是一定的,所以每次在增长或者缩短字符串时,都要做内存的重分配,而内存重分配算法通常又是一个比较耗时的操作,如果程序不经常修改字符串还是可以接受的。

但很不幸,​​redis​​作为一个数据库,数据肯定会被频繁修改,如果每次修改都要执行一次内存重分配,那么就会严重影响性能。

SDS通过两种内存重分配策略,很好的解决了字符串在增长和缩短时的内存分配问题。

1.空间预分配

空间预分配策略用于优化SDS字符串增长操作,当修改字符串并需对SDS的空间进行扩展时,不仅会为SDS分配修改所必要的空间,还会为SDS分配额外的未使用空间​​free​​​,下次再修改就先检查未使用空间​​free​​是否满足,满足则不用在扩展空间。

通过空间预分配策略,​​redis​​可以有效的减少字符串连续增长操作,所产生的内存重分配次数。

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额外分配未使用空间​​free​​的规则:

  • 如果对 SDS 字符串修改后,​​len​​ 值小于 ​​1M​​,那么此时额外分配未使用空间 ​​free​​ 的大小与​​len​​相等。
  • 如果对 SDS 字符串修改后,​​len​​ 值大于等于 ​​1M​​,那么此时额外分配未使用空间 ​​free​​ 的大小为​​1M​​。

2.惰性空间释放

惰性空间释放策略则用于优化SDS字符串缩短操作,当缩短SDS字符串后,并不会立即执行内存重分配来回收多余的空间,而是用​​free​​属性将这些空间记录下来,如果后续有增长操作,则可直接使用。

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数据格式多样性

C字符串中的字符必须符合某些特定的编码格式,而且上边我们也提到,C字符串以​​\0​​​空字符结尾标识一个字符串结束,所以字符串里边是不能包含​​\0​​的,不然就会被误认是多个。

由于这种限制,使得C字符串只能保存文本数据,像音视频、图片等二进制格式的数据是无法存储的。

redis 会以处理二进制的方式操作​​Buf​​数组中的数据,所以对存入其中的数据未做任何的限制、过滤,只要存进来什么样,取出来还是什么样。

总结

上边只是 redis 数据结构的一点基础知识,没什么难度,但以我的面试经验,如果被问这类问题,不要只含糊其辞的说出底层是SDS,有理有据的把为什么这样实现也说出来。

一来可以显得自己基本功扎实,如果表达的在条理清晰,是个很不错的加分项;在一个主动打消面试官问下去的念头,当然就怕不按套路出牌的人!

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