压缩列表（ziplist）是列表键和哈希键的底层实现之一，都是在存储元素内容较少的时候发挥作用：

  • 当一个列表键只包含少量列表项，并且每个列表项要么就是小整数值，要么就是长度比较短的字符串，那么Redis就会使用压缩列表来做列表键的底层实现
  • 当一个哈希键只包含少量键值对，比且每个键值对的键和值要么就是小整数值，要么就是长度比较短的字符串，那么Redis就会使用压缩列表来做哈希键的底层实现

压缩列表是Redis为了节约内存而开发的，是由一系列特殊编码的连续内存块组成的顺序型数据结构。一个压缩列表可以包含任意多个节点（entry），每个节点可以保存一个字节数组或者一个整数值

压缩列表数据结构

压缩列表包括压缩列表节点和一系列的属性组合而成。

压缩列表节点

每个压缩列表节点可以保存一个字节数组或者一个整数值，其中，字节数组可以是以下三种长度的其中一种：

  • 长度小于等于63（2^6–1）字节的字节数组
  • 长度小于等于16383（2^14–1）字节的字节数组
  • 长度小于等于4294967295（2^32–1）字节的字节数组；

而整数值则可以是以下六种长度的其中一种：

  • 4位长，介于0至12之间的无符号整数；
  • 1字节长的有符号整数；
  • 3字节长的有符号整数；
  • int16_t类型整数；
  • int32_t类型整数；
  • int64_t类型整数

每个压缩列表节点都由previous_entry_length、encoding、content三个部分组成

redis 压缩方式 redis 字符串压缩_压缩列表

  • 节点的previous_entry_length属性以字节为单位，记录了压缩列表中前一个节点的长度。长度可以是1字节或者5字节
  • 如果前一节点的长度小于254字节，那么previous_entry_length属性的长度为1字节：前一节点的长度就保存在这一个字节里面
  • 如果前一节点的长度大于等于254字节，那么previous_entry_length属性的长度为5字节：其中属性的第一字节会被设置为0xFE（十进制值254），而之后的四个字节则用于保存前一节点的长度
  • 节点的encoding属性记录了节点的content属性所保存数据的类型以及长度：
  • 一字节、两字节或者五字节长，值的最高位为00、01或者10的是字节数组编码：这种编码表示节点的content属性保存着字节数组，数组的长度由编码除去最高两位之后的其他位记录

    • redis 压缩方式 redis 字符串压缩_redis 压缩方式_02

  • 一字节长，值的最高位以11开头的是整数编码：这种编码表示节点的content属性保存着整数值，整数值的类型由编码除去最高两位之后的其他位记录

    • redis 压缩方式 redis 字符串压缩_redis 压缩方式_03

  • 节点的content属性负责保存节点的值，节点值可以是一个字节数组或者整数，值的类型和长度由节点的encoding属性决定

redis 压缩方式 redis 字符串压缩_字节数组_04

压缩列表

压缩列表的数据结构如下：

redis 压缩方式 redis 字符串压缩_redis 压缩方式_05


各个属性说明如下：

  • zlbytes，大小为4字节，记录整个压缩列表占用的内存字节数。
  • zltail，大小为4字节，记录压缩列表表尾节点距离压缩列表起始地址有多少字节。通过这个值，压缩列表无需偏移量就能快速确定表尾节点地址。
  • zllen，大小为2字节，当属性值小于65535时，记录了压缩列表包含的节点数量，当属性值等于65535时，节点数量需要遍历获取。
  • entryN：压缩列表的节点，节点长度由节点保存的内容决定。
  • zlend：，大小为1字节，特殊值0xFF（十进制255），用于标记压缩列表的末端。

举个例子如下：

redis 压缩方式 redis 字符串压缩_压缩列表_06


各个属性值解释如下：

  • 列表zlbytes属性的值为0xd2（十进制210），表示压缩列表的总长为210字节，O（1）
  • 列表zltail属性的值为0xb3（十进制179），这表示如果我们有一个指向压缩列表起始地址的指针p，那么只要用指针p加上偏移量179，就可以计算出表尾节点entry5的地址，O（1）
  • 列表zllen属性的值为0x5（十进制5），表示压缩列表包含五个节点，O（1）

压缩列表有些特性和需要注意的地方

倒序回溯

因为节点的previous_entry_length属性记录了前一个节点的长度，所以程序可以通过指针运算，根据当前节点的起始地址来计算出前一个节点的起始地址，压缩列表的从表尾向表头遍历操作就是使用这一原理实现的

redis 压缩方式 redis 字符串压缩_连锁更新_07

连锁更新

在一个压缩列表中，有多个连续的、长度介于250字节到253字节之间的节点e1至eN，因为e1至eN的所有节点的长度都小于254字节，所以记录这些节点的长度只需要1字节长的previous_entry_length属性，换句话说，e1至eN的所有节点的previous_entry_length属性都是1字节长的。

  1. 如果我们将一个长度大于等于254字节的新节点new设置为压缩列表的表头节点，那么new将成为e1的前置节点
  2. 因为e1的previous_entry_length属性仅长1字节，它没办法保存新节点new的长度，所以程序将对压缩列表执行空间重分配操作，并将e1节点的previous_entry_length属性从原来的1字节长扩展为5字节长
  3. 而接下来引发了一系列的重新分配空间的内存重分配

展示如下：

redis 压缩方式 redis 字符串压缩_Redis数据编码_08


当然删除一个小节点也会有同样的问题：如果e1至eN都是大小介于250字节至253字节的节点，big节点的长度大于等于254字节（需要5字节的previous_entry_length来保存），而small节点的长度小于254字节（只需要1字节的previous_entry_length来保存）：

redis 压缩方式 redis 字符串压缩_连锁更新_09


那么当我们将small节点从压缩列表中删除之后，为了让e1的previous_entry_length属性可以记录big节点的长度，程序将扩展e1的空间，并由此引发之后的连锁更新

因为连锁更新在最坏情况下需要对压缩列表执行N次空间重分配操作，而每次空间重分配的最坏复杂度为O（N），所以连锁更新的最坏复杂度为O（N^2）

要注意的是，尽管连锁更新的复杂度较高，但它真正造成性能问题的几率是很低的

  • 首先，压缩列表里要恰好有多个连续的、长度介于250字节至253字节之间的节点，连锁更新才有可能被引发，在实际中，这种情况并不多见
  • 其次，即使出现连锁更新，但只要被更新的节点数量不多，就不会对性能造成任何影响：比如说，对三五个节点进行连锁更新是绝对不会影响性能的

因为以上原因，ziplistPush等命令的平均复杂度仅为O（N）

压缩列表API

压缩列表有如下常用API：

redis 压缩方式 redis 字符串压缩_连锁更新_10