Redis的设计与原理（六）

忘是亡心i 2021-12-08 23:51 205阅读 0赞

## 数据结构与对象——对象 ##

Redis并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创建了一个对象系统，这个对象系统包含字符串对象，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我们前面所介绍的数据结构。  
通过这五种不同类型的对象，Redis可以在执行命令之前，根据对象的类型来判断一个对象是否可以执行给定的命令。使用对象的另一个好处是，我们可以针对不同的使用场景，为对象设置多种不同的数据结构实现，从而优化对象在不同场景下的使用效率。  
除此之外，Redis的对象系统还实现了基于引用计数技术的内存回收机制，当程序不再使用某个对象的时候，这个对象所占用的内存就会被释放；另外，Redis还通过引用计数技术实现了对象共享机制，这一机制可以在适当的条件下，通过多个数据库键共享同一个对象来节约内存。

### 一.对象的类型与编码 ###

每当我们创建一对键值对的时候我们最少要创建两个对象，一个键对象，一个值对象。  
**类型：**

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>类型常量</th> 
   <th>对象名称</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>REDIS_STRING</td> 
   <td>字符串对象</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>REDIS_LIST</td> 
   <td>列表对象</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>REDIS_HASH</td> 
   <td>哈希对象</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>REDIS_SET</td> 
   <td>集合对象</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>REDIS_ZSET</td> 
   <td>有序集合对象</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

TYPE命令在面对不同类型的值对象时产出的输出

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>对象</th> 
   <th>type属性的值</th> 
   <th>TYPE命令输出</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>字符串对象</td> 
   <td>REDIS_STRING</td> 
   <td>“string”</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>列表对象</td> 
   <td>REDIS_LIST</td> 
   <td>list</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>哈希对象</td> 
   <td>REDIS_HASH</td> 
   <td>hash</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>集合对象</td> 
   <td>REDIS_SET</td> 
   <td>set</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>有序集合对象</td> 
   <td>REDIS_ZSET</td> 
   <td>zset</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

**编码和底层实现：**  
下面这些是不同类型和编码的对象

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>类型</th> 
   <th>编码</th> 
   <th>OBJECT ENCODING命令输出</th> 
   <th>对象</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>REDIS_STRING</td> 
   <td>REDIS_ENCODING_INT</td> 
   <td>“int”</td> 
   <td>使用整数值实现的字符串对象</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>REDIS_STRING</td> 
   <td>REDIS_ENCODING_EMBSTR</td> 
   <td>“embstr”</td> 
   <td>使用embstr编码的简单动态字符串实现的字符串对象</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>REDIS_STRING</td> 
   <td>REDIS_ENCODING_RAW</td> 
   <td>“raw”</td> 
   <td>使用简单动态字符串实现的字符串对象</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>REDIS_LIST</td> 
   <td>REDIS_ENCODING_ZIPLIST</td> 
   <td>“ziplist”</td> 
   <td>使用压缩列表实现的列表对象</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>REDIS_LIST</td> 
   <td>REDIS_ENCODING_LINKEDLIST</td> 
   <td>“linkedlist”</td> 
   <td>使用双端链表实现的列表对象</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>REDIS_HASH</td> 
   <td>REDIS_ENCODING_ZIPLIST</td> 
   <td>“ziplist”</td> 
   <td>使用压缩列表实现的哈希对象</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>REDIS_HASH</td> 
   <td>REDIS_ENCODING_HT</td> 
   <td>“hashtable”</td> 
   <td>使用字典实现的哈希对象</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>REDIS_SET</td> 
   <td>REDIS_ENCODING_INTSET</td> 
   <td>“intset”</td> 
   <td>使用整数集合实现的集合对象</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>REDIS_SET</td> 
   <td>REDIS_ENCODING_HT</td> 
   <td>“hashtable”</td> 
   <td>使用字典实现的集合对象</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>REDIS_ZSET</td> 
   <td>REDIS_ENCODING_ZIPLIST</td> 
   <td>“ziplist”</td> 
   <td>使用压缩列表实现的有序集合对象</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>REDIS_ZSET</td> 
   <td>REDIS_ENCODING_SKIPLIST</td> 
   <td>“skiplist”</td> 
   <td>使用跳跃表和字典实现的有序集合对象</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

### 字符串对象 ###

1、字符串对象编码选择

*  如果保存的是整数值，字符串对象的编码设置为int
 *  如果保存的是一个字符串值，并且这个字符串值的长度大于32字节，对象的编码设置为raw,使用SDS保存
 *  如果保存的是一个字符串值，并且这个字符串值的长度小于等于32字节，对象的编码设置为

embstr(专门用于保存短字符串的一种优化编码方式)  
2、embstr比raw方式的优势

*  embstr编码将创建字符串对象所需的内存分配次数从raw编码的两次降低为一次
 *  释放embstr编码的字符串对象只需要调用一次内存释放函数
 *  embstr编码的字符串对象所有数据都保存在一块连续的内存里面，能够更好地利用缓存带来的优势

3、long double 类型浮点数保存（embstr或raw）

*  long double类型浮点数是作为字符串值保存的，先将浮点数转为字符串值，然后再保存，需要用到的时候再将对象里面的字符串值转为浮点数值，然后再操作，操作完再转换回来保存

4、编码转换

*  int编码的字符串对象和embstr编码的字符串对象在条件满足的情况下，会被转换为raw编码的字符串对象
 *  如果对int编码的字符串对象进行了一些操作使得对象保存的不再是整数值，则会转换
 *  embstr编码的字符串对象在执行修改命令之后，总会变成一个raw编码的字符串对象

5、字符串对象是redis五中类型对象中唯一会被其他四种类型对象嵌套的对象

### 列表对象 ###

1、列表对象编码可以是ziplist或linkedlist  
2、编码转换（限制条件的上限值可以修改）

*  使用ziplist编码同时满足两个条件：列表对象保存的所有元素长度都小于64字节；列表对象保存的元素数量小于512个
 *  不能满足上述条件的列表对象使用linkedlist编码，当不满足时编码转换操作会被执行，压缩列表里的所有列表元素转移并保存到双端链表里面

### 哈希对象 ###

1、哈希对象的编码可以是ziplist或hashtable  
2、ziplist编码的哈希对象使用压缩列表作为底层实现：

*  保存了同一键值对的两个节点总是紧挨在一起，保存键的节点在前，保存值得节点在后
 *  先添加到哈希对象中的键值对会被放在压缩列表的表头方向，而后来添加到哈希对象中的键值对会被放在压缩列表的表尾方向

3、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，对象中保存了键值对的键
 *  字典的每个值都是一个字符串对象，对象中保存了键值对的值

4、编码转换（限制条件的上限值可以修改）

*  使用intset编码同时满足条件：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不超过512个
 *  未能满足上述条件的使用hashtable编码，当不满足时编码转换操作会被执行，整数集合里的所有列表元素转移并保存到字典里面

### 有序集合对象 ###

1、有序集合的编码可以是ziplist或skiplist  
2、ziplist编码的压缩列表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泪飚节点来保存，第一个节点保存元素的成员，第二个元素则保存元素的分值
 *  压缩列表内的集合元素按分值从小到大进行排序

3、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
 *  有序集合每个元素的成员都是一个字符串对象，而每个元素的分值都是一个double类型的浮点数
 *  虽然zset结构同时使用跳跃表和字典来保存有序集合元素，但这两种数据结构都是通过指针来共享相同元素的成员和分值，不会浪费额外的内存

4、编码转换（限制条件的上限值可以修改）

*  使用ziplist编码同时满足条件：有序集合保存的元素数量小于128个；有序集合保存的所有元素成员长度都小于64字节
 *  未能满足上述条件的使用skiplist编码，当不满足时编码转换操作会被执行，压缩列表里的所有列表元素转移并保存到zset结构里面

### 类型检查与命令多态 ###

1、可以对任何类型的键执行的命令：DEL EXPIRE RENAME TYPE OBJECT等  
2、只能对特定类型的键执行的命令：

*  字符串键：SET GET APPEND STRLEN等
 *  哈希键：HDEL HSET HGET HLEN等
 *  列表键：RPUSH LPOP LINSERT LLEN等
 *  集合键：SADD SPOP SINTER SCARD等
 *  有序集合键：ZADD ZCARD ZRANK ZSCORE等

3、类型特定命令在执行之前会先检查输入键的类型是否正确，是通过redisObject结构的type属性来实现的  
4、多态命令实现：根据值对象的类型来判断键是否能够执行指定命令，根据值对象的编码方式，选择正确的命令实现代码来执行命令

### 内存回收 ###

Redis在自己的对象系统中构建了一个引用计数计数实现内存回收机制，程序可以通过跟踪对象的引用计数信息，在适当的时候自动释放对象并进行内存回收

### 对象共享 ###

1、对象的引用计数属性还带有对象共享的作用

2、让多个键共享同一个值对象需要执行：将数据库键的值指针指向一个现有的值对象；将被共享的值对象的引用计数增加一

3、尽管共享更复杂的对象可以节约更多的内存，但受到CPU时间的限制，Redis只对包含整数值得字符串对象进行共享（完全相同的才能共享，验证相同时的复杂度决定的）

4、Redis会共享值为0~9999的字符串对象

### 对象的空转时长 ###

1、对象会记录自己的最后一次被访问的时间，可以用于计算对象的空转时间

2、OBJECT IDLETIME命令可以打印给定键的空转时长=当前时间-lru(该命令本身不会更新lru值)

3、超过maxmemory选项上限，在有些回收内存算法下，空转时长较高的那部分键会优先被服务器释放