Redis数据结构之简单动态字符串

柔情只为你懂 2022-09-09 00:23 195阅读 0赞

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**引言**

Redis没有直接使用C语言传统的字符串表示（以空字符结尾的字符数组）,而是自己构建了一种名为简单动态字符串（Simple Dynamic String，SDS）的抽象类型，并将SDS用作Redis的默认字符串表示。

在Redis里面，C字符串只会作为字符串字面量用在一些无须对字符串值进行修改的地方，比如日志打印中。

当Redis需要的不仅仅是一个字符串字面量，而是一个可以被修改的字符串值时，Redis就会使用SDS来表示字符串值，比如在Redis的数据库里面，包含字符串值的键值对在底层都是由SDS实现的。

**SDS的定义**

struct sdshdr
    {
        // 记录buf数组中已使用字节的数量
    	// 等于SDS所保存字符串的长度
    	int len;
    	
    	// 记录buf数组中未使用字节的数量
    	int free;
    	
    	// 字节数组，用于保存字符串
    	char buf[];
    };

**常数复杂度获取字符串长度**

C字符串获取长度的复杂度为O(N)。

和C字符串不同，因为SDS在len属性中记录了SDS本身的长度，所以获取一个SDS长度的复杂度仅为O(1)。

设置和更新SDS长度的工作是由SDS的API在执行时自动完成的，使用SDS无须进行任何手动修改长度的工作。

**杜绝缓冲区溢出**

由于C字符串不记录自身长度，带来的一个问题是容易造成缓冲区溢出（Buffer Overflow）。比如，<string.h>/strcat函数可以将src字符串中的内容拼接到dest字符串的末尾：

char *strcat(char *dest, const char *src);

因为C字符串不记录自身的长度，所以strcat假定用户在执行这个函数时，已经为dest分配了足够多的内存，可以容纳src字符串中的所有内容，而一旦这个假定不成立时，就会产生缓冲区溢出。

与C字符串不同，SDS的空间分配策略完全杜绝了发生缓冲区溢出的可能性：当SDS API需要对SDS进行修改时，API会先检查SDS的空间是否满足修改所需的要求，如果不满足的话，API会自动将SDS的空间扩展至执行修改所需的大小，然后才执行实际的修改操作，所以使用SDS既不需要手动修改SDS的空间大小，也不会出现缓冲区溢出问题。

比如，SDS的API里面也有一个用于执行拼接操作的sdscat函数，它可以将一个C字符串拼接到给定SDS所保存的字符串的后面，但是在执行拼接操作之前，sdscat会先检查给定SDS的空间是否足够，如果不够的话，sdscat就会先扩展SDS的空间，然后才执行拼接操作。

**减少修改字符串带来的内存重分配次数**

由于C字符串并不记录自身的长度，所以对于一个包含了N个字符的C字符串来说，这个C字符串的底层实现总是一个N+1个字符长的数组（额外的一个字符空间用于保存空字符）。因为C字符串的长度和底层数组的长度之间存在着这种关联性，所以每次增长或缩短一个C字符串，程序总要对保存这个C字符串的数组进行一次内存重分配操作。

因为内存重分配涉及复杂的算法，并且可能需要执行系统调用，所以它通常是一个比较耗时的操作。

为了避免C字符串的这种缺陷，SDS通过未使用空间解除了字符串长度和底层数组长度之间的关联：在SDS中，buf数组的长度不一定就是字符数量加一，数组里面可以包含未使用的字节，而这些字节的数量就由SDS的free属性记录。

通过未使用空间，SDS实现了空间预分配和惰性空间释放两种优化策略。

空间预分配

空间预分配用于优化SDS的字符串增长操作：当SDS的API对一个SDS进行修改，并且需要对SDS进行空间扩展的时候，程序不仅会为SDS分配修改所必须要的空间，还会为SDS分配额外的未使用空间。

其中，额外分配的未使用空间数量由以下公式决定：

如果对SDS进行修改之后，SDS的长度（len属性的值）小于1MB，那么程序分配和len属性同样大小的未使用空间，这时len属性的值将和free属性的值相同。

如果对SDS进行修改之后，SDS的长度大于等于1MB，那么程序会分配1MB的未使用空间。 　　通过空间预分配策略，Redis可以减少连续执行字符串增长操作所需的内存重分配次数。

惰性空间释放

惰性空间释放用于优化SDS的字符串缩短操作：当SDS的API需要缩短SDS保存的字符串时，程序并不立即使用内存重分配来回收缩短后多出来的字节，而是使用free属性将这些字节的数量记录起来，并等待将来使用。

通过惰性空间释放策略，SDS避免了缩短字符串时所需的内存重分配操作，并为将来可能有的增长操作提供了优化。

与此同时，SDS也提供了相应的API，让我们可以在有需要时，真正地释放SDS的未使用空间，所以不用担心惰性空间释放策略会造成内存浪费。

**二进制安全**

C字符串中的字符必须符合某种编码（比如ASCII），并且除了字符串的末尾之外，字符串里面不能包含空字符，否则最先被程序读入的空字符将被误认为是字符串结尾，这些限制使得C字符串只能保存文本数据，而不能保存像图片、音频、视频、压缩文件这样的二进制数据。

虽然数据库一般用于保存文本数据，但使用数据库来保存二进制的场景也不少见，因此，为了确保Redis可以适用于各种不同的使用场景，SDS的API都是二进制安全的（Binary-Safe），所有SDS API都会以处理二进制的方式来处理SDS存放在buf数组里的数据，程序不会对其中的数据做任何限制、过滤、或者假设，数据在写入时是什么样的，它被读取时就是什么样。

这也是我们将SDS的buf属性称为字节数组的原因－－Redis不是用这个数组来保存字符，而是用它来保存一系列二进制数据。

例如，使用SDS来保存之前提到的特殊数据格式就没有任何问题，因为SDS使用len属性的值而不是空字符来判断字符串是否结束。

通过使用二进制安全的SDS，而不是C字符串，使得Redis不仅可以保存文本数据，还可以保存任意格式的二进制数据。

**兼容部分C字符串函数**

虽然SDS的API都是二进制安全的，但它们一样遵循C字符串以空字符结尾的约定：这些API总会将SDS保存的数据的末尾设置为空字符，并且总会在为buf数组分配空间时多分配一个字节来容纳这个空字符，这是为了让那些保存文本数据的SDS可以重用一部分<string.h>库定义的函数。

通过遵循C字符串以空字符结尾的惯例，SDS可以在有需要时重用<string.h>函数库，从而避免了不必要的代码重复。

**小结**

Redis只会使用C字符串作为字面量，在大多数情况下，Redis使用SDS（Simple Dynamic String，简单动态字符串）作为字符串表示。

比起C字符串，SDS具有以下优点：

常数复杂度获取字符串长度

杜绝缓冲区溢出

减少修改字符串长度所需的内存重分配次数