前言
参考资料：《Redis设计与实现 第二版》；
本篇笔记按照书里的脉络，将知识点分为四个部分。其中第一部分数据结构与对象分为上中下篇，上篇包括：SDS、链表和字典；中篇包括跳跃表、整数集合和压缩列表；下篇为对象；
上篇的链接：https://www.cnblogs.com/dlhjw/p/15569578.html
1. 跳跃表
- 跳跃表支持平均 O(logN)、最坏 O(N) 复杂度的节点查找，还可以通过顺序性操作来批量处理节点；
- 跳跃表的效率可以媲美平衡树，实现比平衡树简单；
- 跳跃表在Redis里只有两个应用：有序集合键的底层实现、集群节点中用作内部数据结构；
1.1 跳跃表与其节点的定义
-
跳跃表的定义，在
redis.h/zskiplist结构里：typedef struct zskiplist { //表头节点和表尾节点 structz skiplistNode *header, *tail; //表中节点的数量（不包括表头指针） unsigned long length; //表中层数最大的节点的层数（不包括表头指针） int level; } zskiplist; -
跳跃表节点的定义，在
redis.h/zskiplistNode结构里：typedef struct zskiplistNode{ //后退指针 struct zskiplistNode *backwars; //分值 double score; //成员对象 robj *obj; //层 struct zskiplistLevel{ //前进指针 struct zskiplistNode *forward; //跨度 unsigned int apan; } level[]; } askiplistNode;
1.2 跳跃表的API
| 函数 | 作用 | 时间复杂度 |
|---|---|---|
| zslCreate | 创建一个新的跳跃表 | O(1) |
| zslFree | 释放给定跳跃表，以及表中包含的所有节点 | O(N)，N为跳跃表的长度 |
| zslInsert | 将包含给定成员和分值的新节点添加到跳跃表中 | 平均O(logN)，最坏O(N)，N为跳跃表长度 |
| zslDelete | 删除跳跃表中包含给定成员和分值的节点 | 平均O(logN)，最坏O(N)，N为跳跃表长度 |
| zslGetRank | 返回包含给定成员和分值的节点在跳跃表中的排位 | 平均O(logN)，最坏O(N)，N为跳跃表长度 |
| zslGetElementByRank | 返回包含给定成员和分值的节点在跳跃表中的排位 | 平均O(logN) ，最坏O(N)，N为跳跃表长度 |
| zslIsInRange | 给定一个分值范围（range），比如0到15，20到28，诸如此类，如果给定的分值范围包含在跳跃表的分值范围内，返回1，否则返回0 | O(1)，基于通过跳跃表的表头节点和表尾节点的分值得到范围 |
| zslFirstInRange | 给定一个分值范围，返回跳跃表中第一个符合这个范围的节点 | 平均O(logN)，最坏O(N)，N为跳跃表长度 |
| zsllastInRange | 给定一个分值范围，返回跳跃表中最后一个符合这个范围的节点 | 平均O(logN)，最坏O(N)，N为跳跃表长度 |
| zslDeleterangeByscore | 给定一个分值范围，删除跳跃表中所有在这个范围之内的节点 | O(N)，N为被删除节点数量 |
| zslDeleterangeByRank | 给定一个排位范围，删除跳跃表中所有在这个范围之内的节点 | O(N)，N为被删除节点数量 |
2. 整数集合
- 整数集合 intset，其特点是从小到大保存整数且不会重复；
- 整数集合在Redis里的应用：集合键的底层实现；
2.1 整数集合的实现
-
整数集合的定义，在
intset.h/intset结构中：typedef struct intset{ //编码方式 uint32_t encoding; //集合包含的元素数量 uint32_t length; //保存元素的数组 int8_t contents[]; } intset;contents声明为 int8_t 类型的数组，但数组的真正类型取决于encoding属性的值；
encoding值 contents值 范围 INTSET_ENC_INT16 int16_t -32768~32768 INTSET_ENC_INT32 int32_t -2147483648~2147483647 INTSET_ENC_INT64 int64_t -9223372036854775808~9223372036854775807
2.2 整数集合的类型升级
- 当新增的元素类型比整数集合现有元素的类型长时，需要升级；
- 步骤：
- 根据新元素类型，扩展整数集合底层数组空间大小，并为新元素分配空间；
- 将底层数组现有元素转换成新元素相同的类型，在维持集合有序性质不变情况下将转换后的元素放置到正确位置上；
- 将新元素添加到底层数组里；
- 因为添加新元素可能会引起升级，每次升级需要对所有元素进行类型转换，因此时间复杂度为O(N)；
- 因为引起升级操作的新元素比现有元素长，所以新元素要么添加到数组开头，要么数组末尾；
- 好处：
- 整数集合不允许降级操作；
2.3 整数集合的API
| 函数 | 作用 | 时间复杂度 |
|---|---|---|
| intsetNew | 创建一个新的整数集合 | O(1) |
| intsetAdd | 将给定元素添加到整数集合里面 | O(N) |
| intsetRemove | 从整数集合中移除给定元素 | O(N) |
| intsetFind | 检查给定值是否存在于集合 | O(logN)，整数集合有序排列，可以用二分查找法 |
| intsetRandom | 从整数集合中随机返回一个元素 | O(1) |
| intsetGet | 取出底层数组在给定索引上的元素 | O(1) |
| intsetLen | 返回整数集合包含的元素个数 | O(1) |
| intsetBlobLen | 返回整数集合咱用的内存字节数 | O(1) |
3. 压缩列表
- 压缩列表 ziplist，其特点是管理小整数值和短字符串；
- 压缩列表在Redis里的应用：列表键与哈希键的底层实现之一；
- 压缩列表的Redis为节省内存而开发的，是由一系列特殊编码的连续内存块组成的顺序型（sequential）数据结构；
3.1 压缩列表的结构
- 压缩列表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；
3.2 压缩列表节点的定义
-
节点的定义在
ziplist.c/zlentry结构里：typedef struct zlentry { // prevrawlen ：前置节点的长度 // prevrawlensize ：编码 prevrawlen 所需的字节大小 unsigned int prevrawlensize, prevrawlen; // len ：当前节点值的长度 // lensize ：编码 len 所需的字节大小 unsigned int lensize, len; // 当前节点 header 的大小 // 等于 prevrawlensize + lensize unsigned int headersize; // 当前节点值所使用的编码类型 unsigned char encoding; // 指向当前节点的指针 unsigned char *p; } zlentry;
3.3 连锁更新
- 首先，压缩列表节点有个
prevrawlen属性，用于记录前一个节点的长度，前一个节点的长度变化会影响prevrawlen属性的长度取值（使用1个字节存储前一个节点的长度还是5个）； - 假设所有结点（e1, e2......eN）长度介于250253字节之间，在表头新增长度大于等于254字节的new节点，因为e1的`prevrawlen`属性仅1字节，无法保存大于254的数字（new的长度），因此需要扩展为5字节长，此时e1的长度介于254257字节之间。这样，new引发e1的扩展，e1引发e2的扩展，形成连锁更新；
- 删除节点也可能引发连锁更新；
- 连锁更新的最坏时间复杂度为 O(N2)；
- 在实际中，连锁更新造成的性能问题几率很低；
3.4 压缩列表的API
| 函数 | 作用 | 时间复杂度 |
|---|---|---|
| ziplistNew | 创建一个新的压缩列表 | O(1) |
| ziplistPush | 创建一个包含给定值的新节点，并将这个新节点添加到压缩列表的表头或表尾 | 平均O(N)，最坏O(N2) |
| ziplistInsert | 将包含给定值的新节点插入到给定节点之后 | 平均O(N)，最坏O(N2) |
| ziplistIndex | 返回压缩列表给定索引上的节点 | O(N) |
| ziplistFind | 在压缩列表中查找并返回包含了给定值的节点 | 当保存的是字节数字时为O(N2)，整数时为O(N) |
| ziplistNext | 返回给定节点的下一个节点 | O(1) |
| ziplistPrev | 返回给定节点的前一个节点 | O(1) |
| ziplistGet | 获取给顶节点说保存的值 | O(1) |
| ziplistDelete | 从压缩列表中删除给定的节点 | 平均O(N)，最坏O(N2) |
| ziplistDeleterange | 删除压缩列表在给定索引上的连续多个节点 | 平均O(N)，最坏O(N2) |
| ziplistBlobLen | 返回压缩列表目前占用的内存字节数 | O(1) |
| ziplistLen | 返回压缩列表目前包含的节点数量 | 节点数量小于65535时为O(1)，大于65535时为O(N) |
- 最坏时间复杂度为O(N2)是因为可能引发连锁更新；
最后
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