Redis并没有采用上文介绍的底层数据结构实现键值对数据库，而是基于底层数据结构实现一套对象系统,包括字符串对象、链表对象、哈希对象、集合对象、排序集合对象。而且，每个对象的底层实现至少存在两种,针对不同的应用场景可以选择不同的实现方式,从而提高效率。
1.对象系统
Redis是key-value数据库,每创建一个键值对就会创建两个对象，即一个键对象，一个值对象。Redis中默认键是字符串对象，值是redisObject对象。其结构如下:
typedef struct redisObject{
//类型
unsigned int type:4;
//编码
unsigned int encoding:4;
//底层实现数据结构指针
void* ptr;
}其内存结构如图所示:
其中类型type如下:
类型常量 | 对象名称 |
REDI_STRING | 字符串对象 |
REDIS_LIST | 列表对象 |
REDIS_HASH | 哈希对象 |
REDIS_SET | 集合对象 |
REDIS_ZSET | 有序集合对象 |
encoding如下:
编码常量 | 底层数据结构 |
REDIS_ENCODING_INT | long型整数 |
REDIS_ENCODING_EMBSTR | embstr编码简单动态字符串 |
REDIS_ENCODING_RAW | 简单动态字符串 |
REDIS_ENCODING_HT | 字典 |
REDIS_ENCODING_LINKEDLIST | 双端链表 |
REDIS_ENCODING_ZIPLIST | 压缩列表 |
REDIS_ENCODING_INTSET | 整数集合 |
REDIS_ENCODING_SKIPLIST | 跳跃表和字典 |
下表表示不同类型和编码的对象:
类型 | 编码 | 对象 |
REDIS_STRING | REDIS_ENCODING_INT | 整数值实现字符串对象 |
REDIS_STRING | REDIS_ENCODING_EMBSTR | embstr编码实现简单动态字符串 |
REDIS_STRING | REDIS_ENCODING_RAW | 简单动态字符串实现字符串对象 |
REDIS_LIST | REDIS_ENCODING_ZIPLIST | 压缩列表实现列表对象 |
REDIS_LIST | REDIS_ENCODING_LINKEDLIST | 双端链表实现列表对象 |
REDIS_HASH | REDIS_ENCODING_ZIPLIST | 压缩列表实现的哈希对象 |
REDIS_HASH | REDIS_ENCODING_HT | 字典实现的哈希对象 |
REDIS_SET | REDIS_ENCODING_INTSET | 整数集合实现的集合对象 |
REDIS_SET | REDIS_ENCODING_HT | 字典实现的集合对象 |
REDIS_ZSET | REDIS_ENCODING_ZIPLIST | 压缩列表实现的有序集合对象 |
REDIS_ZSET | REDIS_ENCODING_SKIPLIST | 跳跃表和字典实现的有序集合对象 |
从上表可以看出任意一种对象都至少有两种实现方式。 OBJECT ENCODING命令显示对象的编码类型
redis>set msg "hello world"
redis>OBJECT ENCODING msg
"embstr"
2.字符串对象
字符串对象有int、raw、embstr三种编码方式,其底层数据结构三个原则:
- 如果字符串对象保存的是整数值,并且这个整数值可以用long型数据表示，则底层数据采用int型编码
- 如果字符串对象保存的是一个字符串值，并且这个字符串的长度大于32个字节，那么字符串对象将使用一个简单动态字符串(SDS)保存，即编码方式采用raw.
- 如果字符串对象保存的是一个字符串值，并且这个字符串的长度小于于32个字节，那么字符串对象将使用embstr字符串保存(连续一块内存)，即编码方式采用embstr.
如图是三种编码方式内存结构:
字符串常用命令:
命令 | 功能 | 说明 |
SET | 保存字符串值 | |
Get | 获取字符串值 | |
APPEND | 追加字符串到末尾 | |
INCRBYFLOAT | 对浮点数进行加法运算 | Increase By Float |
INCRBY | 对整数进行加法运算 | |
DECRBY | 对整数进行减法运算 | |
STRLEN | 返回字符串长度 | |
SETRANGE | 将字符串特定索引上单值设置为给定的字符 | |
GETRANGE | 直接取出并返回字符串指定索引上的字符 |
3.列表对象
列表对象ziplist、linkedlist两种编码方式，其底层数据结构采用编码方式的原则:
- 列表对象保存的 所有字符串元素的长度都小于64字节时,采用ziplist编码
- 列表对象保存的元素数量小于512个时，采用ziplist编码
- 不满足上述条件其他情况,都采用linkedlist编码方式。
其内存结构如下图所示:
列表常用命令如下:
命令 | 功能 | 说明 |
LPUSH | 将元素压入列表的表头 | Left Push |
RPUSH | 将元素压入列表的表位 | Right Push |
LPOP | 表头元素弹出并删除 | Left Pop |
RPOP | 表尾元素弹出并删除 | Right Pop |
LINDEX | 返回指定下标的节点保存的元素 | List Index |
LLEN | 返回列表的长度 | List Length |
LINSERT | 插入元素到列表指定位置 | List Insert |
LREM | 遍历列表，删除包含给定元素的节点 | L Remove |
LTRIM | 删除压缩列表中不在指定索引范围内的节点 | |
LSET | 将指定位置的元素保存的值替换为新节点值 | List Set |
4.哈希对象
哈希对象采用ziplist、hashtable两种编码方式实现。其底层数据结构采用的编码方式的原则:
- 哈希对象保存的所有键值对的键和值的字符串长度都小于64字节，采用ziplist编码方式
- 哈希对象保存的键值对数量小于512个，采用ziplist编码
- 不满足上述两个条件则采用hashtable编码方式
如图是两种编码方式内存结构:
哈希对象常用命令如下:
命令 | 功能 | 说明 |
HSET | 将新节点加入到哈希对象 | Hash Set |
HGET | 在哈希对象中查找指定键对应的值 | Hash Get |
HEXISTS | 判断指定的键值对是否存在 | Hash Exists |
HDEL | 将指定的键值对删除 | Hash Delete |
HLEN | 返回哈希对象中键值对的数量 | Hash Length |
HGETALL | 返回哈希对象中所有的键和值 | Hash Get All |
5.集合对象
集合对象采用intset、hashtable两种编码方式。其底层数据结构采用的编码方式的原则:
- 集合对象保存的所有元素都是整数值时,采用intset编码方式；
- 集合对象保存的元素数量不超过512个时,采用intset编码方式
- 不满足上述两个条件采用hashtable编码方式
如图是两种编码方式内存结构:
集合对象常用命令如下:
命令 | 功能 | 说明 |
SADD | 将所有元素添加到集合里 | Set Add |
SCARD | 返回集合中包含元素的数量 | Set Card |
SISMEMBER | 判断给定元素是否在集合中 | Set Is Member |
SRANDMEMBER | 随机返回集合中一个元素 | Set Rand Member |
SPOP | 随机返回集合中一个元素,并且删除这个元素 | Set Pop |
SREM | 删除集合中指定元素 | Set Remove |
6.有序集合对象
有序集合对象采用ziplist或者skiplist编码方式。其底层数据结构编码方式原则:
- 有序集合保存的元素数量小于128个,有序集合对象采用ziplist编码方式
- 有序集合对象报读的所有元素成员的长度都小于64字节,采用ziplist编码方式
- 不满足上述两个条件时，采用skiplist编码方式。
如图是两种编码方式内存结构:
有序集合对象常用命令如下:
命令 | 功能 | 说明 |
ZADD | 将新元素加入到有序集合 | |
ZCARD | 返回有序集合中元素个数 | |
ZCOUNT | 遍历有序集合统计分值在给定范围内的节点的数量 | |
ZRANGE | 正序返回给定索引范围内的所有元素 | |
ZREVRANGE | 逆序返回给定索引范围内的所有元素 | Z Reverse Range |
ZRANK | 正序遍历集合，返回对应元素在集合中的排名 | |
ZREVRANK | 逆序遍历集合,返回对应元素在集合中的排名 | Z Reverse Rank |
ZREM | 删除给定的元素 | ZRemove |
ZSCORE | 查找给定元素的分值 | Z Score |
总结
本文主要介绍Redis数据库中五大对象底层实现的原理，以及每种对象其底层源码编码方式的使用场景，并简单介绍各个对象常用的命令以及含义。
参考文献 《Redis设计与实现(第二版)》
