Redis源码剖析-dict遍历算法

蔚落 2022-06-08 00:22 122阅读 0赞

先贴一下整体的代码

unsigned long dictScan(dict *d,
                           unsigned long v,
                           dictScanFunction *fn,
                           dictScanBucketFunction* bucketfn,
                           void *privdata)
    {
        dictht *t0, *t1;
        const dictEntry *de, *next;
        unsigned long m0, m1;
    
        // 跳过空字典
        if (dictSize(d) == 0) return 0;
    
        // 如果没有rehash，迭代一个哈希表的字典
        if (!dictIsRehashing(d)) {
            t0 = &(d->ht[0]);
            m0 = t0->sizemask;
    
            /* Emit entries at cursor */
            if (bucketfn) bucketfn(privdata, &t0->table[v & m0]);
            de = t0->table[v & m0];
            while (de) {
                next = de->next;
                fn(privdata, de);
                de = next;
            }
        // 迭代有两个哈希表的字典
        } else {
            t0 = &d->ht[0];
            t1 = &d->ht[1];
    
            /* Make sure t0 is the smaller and t1 is the bigger table */
            // 确保 t0 比 t1 要小
            if (t0->size > t1->size) {
                t0 = &d->ht[1];
                t1 = &d->ht[0];
            }
    
            m0 = t0->sizemask;
            m1 = t1->sizemask;
    
            /* Emit entries at cursor */
            if (bucketfn) bucketfn(privdata, &t0->table[v & m0]);
            de = t0->table[v & m0];
            while (de) {
                next = de->next;
                fn(privdata, de);
                de = next;
            }
    
            /* Iterate over indices in larger table that are the expansion
             * of the index pointed to by the cursor in the smaller table */
            do {
                /* Emit entries at cursor */
                if (bucketfn) bucketfn(privdata, &t1->table[v & m1]);
                de = t1->table[v & m1];
                while (de) {
                    next = de->next;
                    fn(privdata, de);
                    de = next;
                }
    
                /* Increment bits not covered by the smaller mask */
                v = (((v | m0) + 1) & ~m0) | (v & m0);
    
                /* Continue while bits covered by mask difference is non-zero */
            } while (v & (m0 ^ m1));
        }
    
        /* Set unmasked bits so incrementing the reversed cursor
         * operates on the masked bits of the smaller table */
        v |= ~m0;
    
        /* Increment the reverse cursor */
        v = rev(v);
        v++;
        v = rev(v);
    
        return v;
    }

Redis的dict结构中，有一个遍历dict的函数，因为该遍历函数的算法比较特别，值得单独拿出来研究一下。

首先考虑最简单的情况， 如果一个dict是稳定，即没有扩大缩小，也没有正好处于rehash的过程中，那么这种情况下的遍历是最简单的， 只需要按照索引值顺序遍历第一个hash表ht\[0\]就行。

但是如果本次索引的遍历的时候，跟上一个索引遍历的时候，dict已经经过了扩大或者缩小，或者dict正好处于rehash的过程中的时候，遍历过程就变复杂了。

如果仍旧采用顺序遍历索引的策略，考虑dict经过缩小的情况。如果hash表一共有8个slot，经过扩大变成了4个slot，在计算索引的时候，都是hash值同mask=size-1做与操作。所以如果某个key的hash值最后原来是7的话，在slot=8的时候，应该放到索引为7的slot，但是缩小到4个slot的时候，将被放在slot=3。可以想见，这种情况下，会有大量的key被漏掉。同样，如果经过了扩大，也会有大量的key被重复遍历。

## dict的反向二进制位遍历 ##

Redis的遍历方式采用了反向的二进制位遍历。那么什么是反向二进制位遍历呢。按照正常的遍历逻辑，遍历的顺序是按照0->1->2->3->4….

但是dictScan采用的顺序，以8个slot为例，是0->4->2->6->1->5->3->7。看着貌似没有规律，但是其实是从高位开始，向低位进位的一种遍历方式，用二进制更能直观的看出来

`000 --> 100 --> 010 --> 110 --> 001 --> 101 --> 011 --> 111 --> 000`

那么用这种方式遍历会有什么好处呢，可以按照dict不同状态的示例来说明

### 1、当dict稳定的时候 ###

这种情况下，从上面的说明能看出，反向二进制遍历同正向二进制遍历一样，能够遍历到所有的索引，并且不会有重复或遗漏

### 2、当dict扩大的时候 ###

假设dict的slot由8个扩大到16个，首先列出两种状态下的遍历顺序：

000 --> 100 --> 010 --> 110 --> 001 --> 101 --> 011 --> 111 --> 000     
    
    0000 --> 1000 --> 0100 --> 1100 --> 0010 --> 1010 --> 0110 --> 1110 --> 0001 --> 1001 --> 0101 --> 1101 --> 0011 --> 1011 --> 0111 --> 1111 --> 0000

假设在slot=8的时候已经遍历完了010的索引，下一次就需要遍历110的索引。此时dict发生了rehash操作，slot从8个扩展到了16个，

在slot=16的情况下，就需要遍历0110的索引。 此时，在slot=8的时候遍历过的所以值为000，100，010，对应到slot=16的情况下，分别是0000，1000， 0100，1100， 0010， 1010， 正好是所以址0110的前序所以， 这样的话，整个遍历流程，不会造成遍历的重复或者遗漏。

### 3、当dict缩小的时候 ###

假设在slot=16的是，已经遍历完了0110的索引，下一个就要遍历1110的索引，此时dict缩小到了slot=8 。此前已经遍历过的所有索引分别为 0000， 1000， 0100， 1100， 0010， 1010， 0110， 对应到slot=8的情况下，分别落到索引000，100，010，110。

此时需要从110的所以开始遍历，但是由于此前在slot=16的时候已经遍历过的0110的索引值也是落到110的索引，所以会造成一部分的key被重复遍历。

原哈希表长度为x，缩小后长度为y，则最多会有x/y – 1个原bucket的节点会被重复迭代。比如由16缩小为8，则最多就有1个bucket节点会重复迭代，要是由32缩小为8，则最多会有3个。

但是，也有可能，正好不重复遍历，比如slot=16的时候遍历到1010，即将遍历0110的时候dict缩小的时候，就不会产生重复。

反向二进制算法保证了dict不会遗漏元素，同时在dict缩小的时候，保证了比较小的元素重复。

### 4、正好进行rehash的时候 ###

当dict正好在进行rehash的时候，当前遍历的索引里边可能数据不全，因为有一部分已经rehash到新表中去了。所以为了不漏掉元素，采取的措施是同时遍历两个hash表的对应索引。

但是rehash的过程中，不管扩大还是缩小，两张表的索引都是不同的，如何对应呢。 方法就是先比较两张hash表的大小，先遍历较小的hash表，遍历完之后，找到大表中所有对应的索引值，全部依次遍历。

举个例子，暂且不管dict当前是在扩大还是缩小，两张hash表的大小肯定是不同的。假设一张表的slot=8，另一张表的slot=32， 两个mask分别为111和11111。 假设当前的hash值同111做与操作之后为010，那么小表中010的索引遍历之后，需要遍历大表的00010，01010， 10010和11010的索引，然后将两者的索引一块返回。

v = (((v | m0) + 1) & ~m0) | (v & m0);

那么如何保证大表对应的所有索引都能遍历到呢。代码中可以看到这么一条语句，分析一下。 v | m0 将v的低位全部置为1， (v | m0) + 1则是将v的高位加1，之后再 & ~m0 将所有低位置0， v & m0 就是将v的低位提取出来放到之前的数值之后。 这样就能够： 保持v的低位不变，高位持续加1，遍历所有扩展后的slot

那么高位什么时候停止加1呢，就是while终止的条件

while (v & (m0 ^ m1))

由于m0和m1都是全为1的mask，假设m0=111， m1=11111， 那么m0 ^ m1 = 11000， 所以我们能看到当v的高位没有1了，其实就是说到头了，循环就会终止。

## 总结 ##

Redis的dictScan通过反向二进制位的遍历顺序，既能防止漏掉遍历元素，也能在必须要重复遍历元素的时候，减少重复元素的个数。 同时在处理rehash操作时的遍历的时候，通过各种位操作的结合，使得rehash过程中不会漏掉元素。