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前言

Redis 有五种基本数据类型，可是大家知道这五种数据类型的底层是咋实现吗？接下就带大家了解一下 String、List、Hash、Set、Sorted Set 底层是如何实现的，在这之前，先来看下下面的基本数据结构，分别有简单动态字符串(SDS)、链表、字典、跳跃表、整数集合以及压缩列表，它们是 Redis 数据结构的基本组成部分。

五种数据结构底层实现

<font size=4 color=green>1. String</font>

• 如果一个字符串对象保存的是整数值， 并且这个整数值可以用 long 类型来表示， 那么字符串对象会将整数值保存在字符串对象结构的 ptr 属性里面（将 void* 转换成 long ）， 并将字符串对象的编码设置为 int 。

• 如果字符串对象保存的是一个字符串值， 并且这个字符串值的长度大于 39 字节， 那么字符串对象将使用一个简单动态字符串（SDS）来保存这个字符串值， 并将对象的编码设置为 raw。

• 如果字符串对象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 39 字节， 那么字符串对象将使用 embstr 编码的方式来保存这个字符串值。

<font size=4 color=green>2. List</font>

• 列表对象的编码可以是 ziplist 或者 linkedlist 。

• 列表对象保存的所有字符串元素的长度都小于 64 字节并且保存的元素数量小于 512 个，使用 ziplist 编码；否则使用 linkedlist；

<font size=4 color=green>3. Hash</font>

• 哈希对象的编码可以是 ziplist 或者 hashtable 。

• 哈希对象保存的所有键值对的键和值的字符串长度都小于 64 字节并且保存的键值对数量小于 512 个，使用 ziplist 编码；否则使用 hashtable；

<font size=4 color=green>4. Set</font>

• 集合对象的编码可以是 intset 或者 hashtable 。

• 集合对象保存的所有元素都是整数值并且保存的元素数量不超过 512 个，使用 intset 编码；否则使用 hashtable；

<font size=4 color=green>5. Sorted Set</font>

• 有序集合的编码可以是 ziplist 或者 skiplist

• 有序集合保存的元素数量小于 128 个并且保存的所有元素成员的长度都小于 64 字节。使用 ziplist 编码；否则使用 skiplist；

接下来分别说说这些底层数据结构。

一、简单动态字符串（SDS）

Redis 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。如：

 set msg "hello world"  

key 和 value 底层都是用 SDS 来实现的。

SDS 的结构：

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[];
};

• free 属性的值为 0 ， 表示这个 SDS 没有分配任何未使用空间。

• len 属性的值为 5 ， 表示这个 SDS 保存了一个五字节长的字符串。

• buf 属性是一个 char 类型的数组， 数组的前五个字节分别保存了 'R' 、 'e' 、 'd' 、 'i' 、 's' 五个字符， 而最后一个字节则保存了空字符 '\0' 。SDS 与 C 语言字符串比较相近，但拥有更过的优势：

• SDS 获取字符串长度时间复杂度 O(1)：因为 SDS 通过 len 字段来存储长度，使用时直接读取就可以；C 语言要想获取字符串长度需要遍历整个字符串，时间复杂度 O(N)。

• SDS 能杜绝缓冲区的溢出：因为当 SDS API 要对 SDS 进行修改时，会先检查 SDS 的空间是否足够，如果不够的话 SDS 会自动扩容，So，不会造成缓冲区溢出。而 C 语言则不剧本这个功能。

• SDS 能减少修改字符串时带来的内存重分配次数：

• 空间预分配：当 SDS 扩容时不只是会增加需要的空间大小，还会额外的分配一些未使用的空间。分配的规则是：如果分配后 SDS 的长度小于 1MB，那么会分配等于分配后 SDS 的大小的未使用空间，简单说就是，SDS 动态分配后是 16KB，那么就会多分配 16KB 的未使用空间；如果 小于 1MB，那么久分配 1MB 的未使用空间。

• 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，并不会立即内存重分配来回收多出来的字节，而是用 free 来记录未使用空间。

二、链表

  链表提供了高效的节点重排能力，以及顺序性的节点访问方式，并且可以通过增删节点来灵活地调整链表的长度。链表在 Redis 中的应用非常广泛，比如 List 的底层实现之一链表，当一个 List 包含了数量比较多的元素，又或者列表中包含的元素都是比较长的字符串时，Redis 就会使用链表作为 List 的底层实现。除了用作 List 的底层实现之外，发布与订阅、慢查询、监视器等动能也用到了链表， Redis 服务器本身还使用链表来保存多个客户端的状态信息，以及使用链表来构建客户端输出缓冲区。

  每个链表节点使用一个 adlist.h/listNode 结构来表示：

typedef struct listNode {
    // 前置节点    struct listNode *prev;
    // 后置节点    struct listNode *next;
    // 节点的值    void *value;
} listNode;

多个 listNode 可以通过 prev 和 next 指针组成双端链表， 如下图所示。

虽然仅仅使用多个 listNode 结构就可以组成链表， 但使用 adlist.h/list 来持有链表的话， 操作起来会更方便：

typedef struct list {
    // 表头节点    listNode *head;
    // 表尾节点    listNode *tail;
    // 链表所包含的节点数量    unsigned long len;
    // 节点值复制函数    void *(*dup)(void *ptr);
    // 节点值释放函数    void (*free)(void *ptr);
    // 节点值对比函数    int (*match)(void *ptr, void *key);
} list;

list 结构为链表提供了表头指针 head 、表尾指针 tail ， 以及链表长度计数器 len ， 而 dup 、 free 和 match 成员则是用于实现多态链表所需的类型特定函数：

• dup 函数用于复制链表节点所保存的值；

• free 函数用于释放链表节点所保存的值；

• match 函数则用于对比链表节点所保存的值和另一个输入值是否相等。

• 下图是由一个 list 结构和三个 listNode 结构组成的链表：

• 

• Redis 的链表实现的特性可以总结如下：

• 双端： 链表节点带有 prev 和 next 指针， 获取某个节点的前置节点和后置节点的复杂度都是 O(1) 。

• 无环： 表头节点的 prev 指针和表尾节点的 next 指针都指向 NULL ， 对链表的访问以 NULL 为终点。

• 带表头指针和表尾指针： 通过 list 结构的 head 指针和 tail 指针， 程序获取链表的表头节点和表尾节点的复杂度为 O(1) 。

• 带链表长度计数器： 程序使用 list 结构的 len 属性来对 list 持有的链表节点进行计数， 程序获取链表中节点数量的复杂度为 O(1) 。

• 多态： 链表节点使用 void* 指针来保存节点值， 并且可以通过 list 结构的 dup 、 free 、 match 三个属性为节点值设置类型特定函数， 所以链表可以用于保存各种不同类型的值。

三、字典

字典， 又称符号表（symbol table）、关联数组（associative array）或者映射（map）， 是一种用于保存键值对（key-value pair）的抽象数据结构。其中 Key 是唯一的。类似 Java 的 Map。

字典在 Redis 中主要被应用与：

• Redis 数据库底层就是用字典实现的，对数据库的增、删、改、查操作都是构建在对字典的操作之上，比如：

> set msg "hello world"OK

这个就是创建一个 key 为 "msg"，value 为 "hello world" 的键值对，保存在代表数据库的字典中。

• 字典还是哈希键的底层实现之一： 当一个哈希键包含的键值对比较多， 又或者键值对中的元素都是比较长的字符串时， Redis 就会使用字典作为哈希键的底层实现。

Redis 的字典使用哈希表作为底层实现， 一个哈希表里面可以有多个哈希表节点， 而每个哈希表节点就保存了字典中的一个键值对。

接下来的三个小节将分别介绍 Redis 的哈希表、哈希表节点、以及字典的实现。

哈希表

Redis 字典所使用的哈希表由 dict.h/dictht 结构定义：

typedef struct dictht {
    // 哈希表数组    dictEntry **table;
    // 哈希表大小    unsigned long size;
    // 哈希表大小掩码，用于计算索引值    // 总是等于 size - 1    unsigned long sizemask;
    // 该哈希表已有节点的数量    unsigned long used;
} dictht;

table 属性是一个数组， 数组中的每个元素都是一个指向 dict.h/dictEntry 结构的指针， 每个 dictEntry 结构保存着一个键值对。

size 属性记录了哈希表的大小， 也即是 table 数组的大小， 而 used 属性则记录了哈希表目前已有节点（键值对）的数量。

sizemask 属性的值总是等于 size - 1 ， 这个属性和哈希值一起决定一个键应该被放到 table 数组的哪个索引上面。

下图 展示了一个大小为 4 的空哈希表 （没有包含任何键值对）。

哈希节点

哈希表节点使用 dictEntry 结构表示， 每个 dictEntry 结构都保存着一个键值对：

typedef struct dictEntry {
    // 键    void *key;
    // 值    union {        void *val;        uint64_t u64;        int64_t s64;    } v;
    // 指向下个哈希表节点，形成链表    struct dictEntry *next;
} dictEntry;

key 属性保存着键值对中的键， 而 v 属性则保存着键值对中的值， 其中键值对的值可以是一个指针， 或者是一个 uint64_t 整数， 又或者是一个 int64_t 整数。

next 属性是指向另一个哈希表节点的指针， 这个指针可以将多个哈希值相同的键值对连接在一次， 以此来解决键冲突（collision）的问题。

举个例子， 下图就展示了如何通过 next 指针， 将两个索引值相同的键 k1 和 k0 连接在一起。

字典

Redis 中的字典由 dict.h/dict 结构表示：

typedef struct dict {
    // 类型特定函数    dictType *type;
    // 私有数据    void *privdata;
    // 哈希表    dictht ht[2];
    // rehash 索引    // 当 rehash 不在进行时，值为 -1    int rehashidx; /* rehashing not in progress if rehashidx == -1 */
} dict;

type 属性和 privdata 属性是针对不同类型的键值对， 为创建多态字典而设置的：

• type 属性是一个指向 dictType 结构的指针， 每个 dictType 结构保存了一簇用于操作特定类型键值对的函数， Redis 会为用途不同的字典设置不同的类型特定函数。

• 而 privdata 属性则保存了需要传给那些类型特定函数的可选参数。

ht 属性是一个包含两个项的数组， 数组中的每个项都是一个 dictht 哈希表， 一般情况下， 字典只使用 ht[0] 哈希表， ht[1] 哈希表只会在对 ht[0] 哈希表进行 rehash 时使用。

除了 ht[1] 之外， 另一个和 rehash 有关的属性就是 rehashidx ： 它记录了 rehash 目前的进度， 如果目前没有在进行 rehash ， 那么它的值为 -1 。

下图 展示了一个普通状态下（没有进行 rehash）的字典：

哈希算法

当将一个新的键值对插入到字典中，需要计算索引值，Redis 计算索引值的方法是：

# 使用字典设置的哈希函数，计算键 key 的哈希值hash = dict->type->hashFunction(key);
# 使用哈希表的 sizemask 属性和哈希值，计算出索引值# 根据情况不同， ht[x] 可以是 ht[0] 或者 ht[1]index = hash & dict->ht[x].sizemask;

类似 Java 的 HashMap，计算 key 的 hash 值，然后 hash & (len - 1), 而 Redis 的 sizemask 就是 size - 1。

哈希冲突怎么办

当出现 Hash 冲突时，Redis 使用的是 链地址法 来解决冲突，链地址法就是将冲突的节点构成一个链表放在该索引位置上，Redis 采用的是头插法。解决 hash 冲突的还有三种方法，分别是：开放定址法（线性探测再散列，二次探测再散列，伪随机探测再散列）、再哈希法以及建立一个公共溢出区，以后会单独介绍一些解决 hash 冲突的四种方法。

rehash

随着不断的操作，hash 表中的键值对可能会增多或减少，为了让哈希表的负载因子保持在一个范围内，需要对 hash 表进行扩容或收缩，收缩和扩容的过程就叫 rehash。rehash 过程如下：

1. 为字典的 ht[1] 哈希表分配空间， 这个哈希表的空间大小取决于要执行的操作， 以及 ht[0] 当前包含的键值对数量 （也即是 ht[0].used 属性的值）(ht 是字典中的 hash 表，上文有介绍)：

2. 如果执行的是扩展操作， 那么 ht[1] 的大小为第一个大于等于 ht[0].used * 2 的 2^n （2 的 n 次方幂）；

3. 如果执行的是收缩操作， 那么 ht[1] 的大小为第一个大于等于 ht[0].used 的 2^n 。

4. 将保存在 ht[0] 中的所有键值对 rehash 到 ht[1] 上面： rehash 指的是重新计算键的哈希值和索引值， 然后将键值对放置到 ht[1] 哈希表的指定位置上。

5. 当 ht[0] 包含的所有键值对都迁移到了 ht[1] 之后 （ht[0] 变为空表）， 释放 ht[0] ， 将 ht[1] 设置为 ht[0] ， 并在 ht[1] 新创建一个空白哈希表， 为下一次 rehash 做准备

当以下条件中的任意一个被满足时， 程序会自动开始对哈希表执行扩展操作：

服务器目前没有在执行 BGSAVE 命令或者 BGREWRITEAOF 命令， 并且哈希表的负载因子大于等于 1 ；服务器目前正在执行 BGSAVE 命令或者 BGREWRITEAOF 命令， 并且哈希表的负载因子大于等于 5 ；其中哈希表的负载因子可以通过公式：

# 负载因子 = 哈希表已保存节点数量 / 哈希表大小  load_factor = ht[0].used / ht[0].size

计算得出。

比如说， 对于一个大小为 4 ， 包含 4 个键值对的哈希表来说， 这个哈希表的负载因子为：

load_factor = 4 / 4 = 1

又比如说， 对于一个大小为 512 ， 包含 256 个键值对的哈希表来说， 这个哈希表的负载因子为：

load_factor = 256 / 512 = 0.5

根据 BGSAVE 命令或 BGREWRITEAOF 命令是否正在执行， 服务器执行扩展操作所需的负载因子并不相同， 这是因为在执行 BGSAVE 命令或 BGREWRITEAOF 命令的过程中， Redis 需要创建当前服务器进程的子进程， 而大多数操作系统都采用写时复制（copy-on-write）技术来优化子进程的使用效率， 所以在子进程存在期间， 服务器会提高执行扩展操作所需的负载因子， 从而尽可能地避免在子进程存在期间进行哈希表扩展操作， 这可以避免不必要的内存写入操作， 最大限度地节约内存。

另一方面， 当哈希表的负载因子小于 0.1 时， 程序自动开始对哈希表执行收缩操作。

渐进式 rehash

rehash 时会将 ht[0] 所有的键值对迁移到 ht[1] 中，但这个动作不是一次性的，而是分多次、渐进式地完成。这样的所得原因时：当数据量大的时候一次性迁移会造成服务器在一段时间内定制服务。为了避免发生这样的事就出现了 渐进式 rehash。

以下是哈希表渐进式 rehash 的详细步骤：

1. 为 ht[1] 分配空间， 让字典同时持有 ht[0] 和 ht[1] 两个哈希表。

2. 在字典中维持一个索引计数器变量 rehashidx ， 并将它的值设置为 0 ， 表示 rehash 工作正式开始。

3. 在 rehash 进行期间， 每次对字典执行添加、删除、查找或者更新操作时， 程序除了执行指定的操作以外， 还会顺带将 ht[0] 哈希表在 rehashidx 索引上的所有键值对 rehash 到 ht[1] ， 当 rehash 工作完成之后， 程序将 rehashidx 属性的值增一。

4. 随着字典操作的不断执行， 最终在某个时间点上， ht[0] 的所有键值对都会被 rehash 至 ht[1] ， 这时程序将 rehashidx 属性的值设为 -1 ， 表示 rehash 操作已完成。

渐进式 rehash 的好处在于它采取分而治之的方式， 将 rehash 键值对所需的计算工作均滩到对字典的每个添加、删除、查找和更新操作上， 从而避免了集中式 rehash 而带来的庞大计算量。在 rehash 期间，字典的删改查操作都是同时作用在 ht[0] 以及 ht[1] 上的。如查找一个键，会现在 ht[0] 查找，找不到就去 ht[1] 查找，注意的是增加操作，新增的键值对只会保存到 ht[1]上，不会保存到 ht[0] 上，这一措施保证了 ht[0] 的键值只减不增，随着 rehash 操作 ht[0] 最终会变成空表。

Redis 的字典实现的特性可以总结如下：

• 字典被广泛用于实现 Redis 的各种功能， 其中包括数据库和哈希键。

• Redis 中的字典使用哈希表作为底层实现， 每个字典带有两个哈希表， 一个用于平时使用， 另一个仅在进行 rehash 时使用。

• 当字典被用作数据库的底层实现， 或者哈希键的底层实现时， Redis 使用 MurmurHash2 算法来计算键的哈希值。

• 哈希表使用链地址法来解决键冲突， 被分配到同一个索引上的多个键值对会连接成一个单向链表。

• 在对哈希表进行扩展或者收缩操作时， 程序需要将现有哈希表包含的所有键值对 rehash 到新哈希表里面， 并且这个 rehash 过程并不是一次性地完成的， 而是渐进式地完成的。

四、跳跃表

  跳跃表（skiplist）是一种有序数据结构， 它通过在每个节点中维持多个指向其他节点的指针， 从而达到快速访问节点的目的。

跳跃表支持平均 O(\log N) 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。

  在大部分情况下， 跳跃表的效率可以和平衡树相媲美， 并且因为跳跃表的实现比平衡树要来得更为简单， 所以有不少程序都使用跳跃表来代替平衡树。

  Redis 使用跳跃表作为有序集合键的底层实现之一： 如果一个有序集合包含的元素数量比较多，又或者有序集合中元素的成员（member）是比较长的字符串时，Redis 就会使用跳跃表来作为有序集合键的底层实现。

  Redis 只在两个地方用到了跳跃表， 一个是实现有序集合键， 另一个是在集群节点中用作内部数据结构， 除此之外， 跳跃表在 Redis 里面没有其他用途。

Redis 的跳跃表由 redis.h/zskiplistNode 和 redis.h/zskiplist 两个结构定义， 其中 zskiplistNode 结构用于表示跳跃表节点， 而 zskiplist 结构则用于保存跳跃表节点的相关信息， 比如节点的数量， 以及指向表头节点和表尾节点的指针， 等等。

上图展示了一个跳跃表示例， 位于图片最左边的是 zskiplist 结构， 该结构包含以下属性：

• header ：指向跳跃表的表头节点。

• tail ：指向跳跃表的表尾节点。

• level ：记录目前跳跃表内，层数最大的那个节点的层数（表头节点的层数不计算在内）。

• length ：记录跳跃表的长度，也即是，跳跃表目前包含节点的数量（表头节点不计算在内）。

位于 zskiplist 结构右方的是四个 zskiplistNode 结构， 该结构包含以下属性：

• 层（level）：节点中用 L1 、 L2 、 L3 等字样标记节点的各个层， L1 代表第一层， L2 代表第二层，以此类推。每个层都带有两个属性：前进指针和跨度。前进指针用于访问位于表尾方向的其他节点，而跨度则记录了前进指针所指向节点和当前节点的距离。在上面的图片中，连线上带有数字的箭头就代表前进指针，而那个数字就是跨度。当程序从表头向表尾进行遍历时，访问会沿着层的前进指针进行。

• 后退（backward）指针：节点中用 BW 字样标记节点的后退指针，它指向位于当前节点的前一个节点。后退指针在程序从表尾向表头遍历时使用。

• 分值（score）：各个节点中的 1.0 、 2.0 和 3.0 是节点所保存的分值。在跳跃表中，节点按各自所保存的分值从小到大排列。

• 成员对象（obj）：各个节点中的 o1 、 o2 和 o3 是节点所保存的成员对象。

注意表头节点和其他节点的构造是一样的： 表头节点也有后退指针、分值和成员对象， 不过表头节点的这些属性都不会被用到， 所以图中省略了这些部分， 只显示了表头节点的各个层。

本节接下来的内容将对 zskiplistNode 和 zskiplist 两个结构进行更详细的介绍。

1. 跳跃表节点

跳跃表节点的实现由 redis.h/zskiplistNode 结构定义：

typedef struct zskiplistNode {
    // 后退指针    struct zskiplistNode *backward;
    // 分值    double score;
    // 成员对象    robj *obj;
    // 层    struct zskiplistLevel {
        // 前进指针        struct zskiplistNode *forward;
        // 跨度        unsigned int span;
    } level[];
} zskiplistNode;

<font size=5 color=green>层</font>

跳跃表节点的 level 数组可以包含多个元素， 每个元素都包含一个指向其他节点的指针， 程序可以通过这些层来加快访问其他节点的速度， 一般来说， 层的数量越多， 访问其他节点的速度就越快。

每次创建一个新跳跃表节点的时候， 程序都根据幂次定律 （power law，越大的数出现的概率越小） 随机生成一个介于 1 和 32 之间的值作为 level 数组的大小， 这个大小就是层的“高度”。

下图分别展示了三个高度为 1 层、 3 层和 5 层的节点， 因为 C 语言的数组索引总是从 0 开始的， 所以节点的第一层是 level[0] ， 而第二层是 level[1] ，以此类推。

<font size=5 color=green>跨度</font>

层的跨度（level[i].span 属性）用于记录两个节点之间的距离：

两个节点之间的跨度越大， 它们相距得就越远。指向 NULL 的所有前进指针的跨度都为 0 ， 因为它们没有连向任何节点。初看上去， 很容易以为跨度和遍历操作有关， 但实际上并不是这样 —— 遍历操作只使用前进指针就可以完成了， 跨度实际上是用来计算排位（rank）的： 在查找某个节点的过程中， 将沿途访问过的所有层的跨度累计起来， 得到的结果就是目标节点在跳跃表中的排位。

举个例子， 下图用虚线标记了在跳跃表中查找分值为 3.0 、 成员对象为 o3 的节点时， 沿途经历的层： 查找的过程只经过了一个层， 并且层的跨度为 3 ， 所以目标节点在跳跃表中的排位为 3 。

<font size=5 color=green>后退指针</font>

节点的后退指针（backward 属性）用于从表尾向表头方向访问节点： 跟可以一次跳过多个节点的前进指针不同， 因为每个节点只有一个后退指针， 所以每次只能后退至前一个节点。

下图用虚线展示了如果从表尾向表头遍历跳跃表中的所有节点： 程序首先通过跳跃表的 tail 指针访问表尾节点， 然后通过后退指针访问倒数第二个节点， 之后再沿着后退指针访问倒数第三个节点， 再之后遇到指向 NULL 的后退指针， 于是访问结束。

<font size=5 color=green>分值和成员</font>

节点的分值（score 属性）是一个 double 类型的浮点数， 跳跃表中的所有节点都按分值从小到大来排序。

节点的成员对象（obj 属性）是一个指针， 它指向一个字符串对象， 而字符串对象则保存着一个 SDS 值。

在同一个跳跃表中， 各个节点保存的成员对象必须是唯一的， 但是多个节点保存的分值却可以是相同的： 分值相同的节点将按照成员对象在字典序中的大小来进行排序， 成员对象较小的节点会排在前面（靠近表头的方向）， 而成员对象较大的节点则会排在后面（靠近表尾的方向）。

举个例子， 在下图所示的跳跃表中， 三个跳跃表节点都保存了相同的分值 10086.0 ， 但保存成员对象 o1 的节点却排在保存成员对象 o2 和 o3 的节点之前， 而保存成员对象 o2 的节点又排在保存成员对象 o3 的节点之前， 由此可见， o1 、 o2 、 o3 三个成员对象在字典中的排序为 o1 <= o2 <= o3 。

2. 跳跃表

3. 虽然仅靠多个跳跃表节点就可以组成一个跳跃表， 如下图所示。

4. 

5. 但通过使用一个 zskiplist 结构来持有这些节点， 程序可以更方便地对整个跳跃表进行处理， 比如快速访问跳跃表的表头节点和表尾节点， 又或者快速地获取跳跃表节点的数量（也即是跳跃表的长度）等信息， 如下图所示。

6. 

7. zskiplist 结构的定义如下：

typedef struct zskiplist {
    // 表头节点和表尾节点    struct zskiplistNode *header, *tail;
    // 表中节点的数量    unsigned long length;
    // 表中层数最大的节点的层数    int level;
} zskiplist;

header 和 tail 指针分别指向跳跃表的表头和表尾节点， 通过这两个指针， 程序定位表头节点和表尾节点的复杂度为 O(1) 。

通过使用 length 属性来记录节点的数量， 程序可以在 O(1) 复杂度内返回跳跃表的长度。

level 属性则用于在 O(1) 复杂度内获取跳跃表中层高最大的那个节点的层数量， 注意表头节点的层高并不计算在内。

关于跳跃表的总结：

• 跳跃表是有序集合的底层实现之一， 除此之外它在 Redis 中没有其他应用。

• Redis 的跳跃表实现由 zskiplist 和 zskiplistNode 两个结构组成， 其中 zskiplist 用于保存跳跃表信息（比如表头节点、表尾节点、长度）， 而 zskiplistNode 则用于表示跳跃表节点。

• 每个跳跃表节点的层高都是 1 至 32 之间的随机数。

• 在同一个跳跃表中， 多个节点可以包含相同的分值， 但每个节点的成员对象必须是唯一的。

• 跳跃表中的节点按照分值大小进行排序， 当分值相同时， 节点按照成员对象的大小进行排序。

五、整数集合

整数集合（intset）是集合键的底层实现之一： 当一个集合只包含整数值元素， 并且这个集合的元素数量不多时， Redis 就会使用整数集合作为集合键的底层实现。

举个例子， 如果我们创建一个只包含五个元素的集合键， 并且集合中的所有元素都是整数值， 那么这个集合键的底层实现就会是整数集合：

redis> SADD numbers 1 3 5 7 9(integer) 5
redis> OBJECT ENCODING numbers"intset"

整数集合（intset）是 Redis 用于保存整数值的集合抽象数据结构， 它可以保存类型为 int16_t 、 int32_t 或者 int64_t 的整数值， 并且保证集合中不会出现重复元素。

每个 intset.h/intset 结构表示一个整数集合：

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 数组是整数集合的底层实现： 整数集合的每个元素都是 contents 数组的一个数组项（item）， 各个项在数组中按值的大小从小到大有序地排列， 并且数组中不包含任何重复项。

length 属性记录了整数集合包含的元素数量， 也即是 contents 数组的长度。

虽然 intset 结构将 contents 属性声明为 int8_t 类型的数组， 但实际上 contents 数组并不保存任何 int8_t 类型的值 —— contents 数组的真正类型取决于 encoding 属性的值：如果 encoding 属性的值为 INTSET_ENC_INT16 ， 那么 contents 就是一个 int16_t 类型的数组， 数组里的每个项都是一个 int16_t 类型的整数值 （最小值为 -32,768 ，最大值为 32,767 ）。下图是一个包含五个 int16_t 类型整数值的整数集合。

每当我们要将一个新元素添加到整数集合里面， 并且新元素的类型比整数集合现有所有元素的类型都要长时， 整数集合需要先进行升级（upgrade）， 然后才能将新元素添加到整数集合里面。

升级整数集合并添加新元素共分为三步进行：

• 根据新元素的类型， 扩展整数集合底层数组的空间大小， 并为新元素分配空间。

• 将底层数组现有的所有元素都转换成与新元素相同的类型， 并将类型转换后的元素放置到正确的位上， 而且在放置元素的过程中， 需要继续维持底层数组的有序性质不变。

• 将新元素添加到底层数组里面。

整数集合不支持降级操作， 一旦对数组进行了升级， 编码就会一直保持升级后的状态。

关于整数集合的总结：

• 整数集合是集合键的底层实现之一。

• 整数集合的底层实现为数组， 这个数组以有序、无重复的方式保存集合元素， 在有需要时， 程序会根据新添加元素的类型， 改变这个数组的类型。

• 升级操作为整数集合带来了操作上的灵活性， 并且尽可能地节约了内存。

• 整数集合只支持升级操作， 不支持降级操作。

六、压缩列表

压缩列表（ziplist）是列表键和哈希键的底层实现之一。

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。

比如说， 执行以下命令将创建一个压缩列表实现的列表键：

redis> RPUSH lst 1 3 5 10086 "hello" "world"(integer) 6
redis> OBJECT ENCODING lst"ziplist"

因为列表键里面包含的都是 1 、 3 、 5 、 10086 这样的小整数值， 以及 "hello" 、 "world" 这样的短字符串。

另外， 当一个哈希键只包含少量键值对， 并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。

举个例子， 执行以下命令将创建一个压缩列表实现的哈希键：

redis> HMSET profile "name" "Jack" "age" 28 "job" "Programmer"OK
redis> OBJECT ENCODING profile"ziplist"

因为哈希键里面包含的所有键和值都是小整数值或者短字符串。

<font size=3 color=green>压缩列表的构成:</font>压缩列表是 Redis 为了节约内存而开发的， 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。

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。

下图展示了压缩列表的各个组成部分。

下表则记录了各个组成部分的类型、长度、以及用途。表 7-1 则记录了各个组成部分的类型、长度、以及用途。

<font size=3 color=green>压缩列表节点的构成:</font>每个压缩列表节点都由 previous_entry_length 、 encoding 、 content 三个部分组成， 如下图所示。

• 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。

• 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：

• 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。关于压缩列表的总结：

• 压缩列表是一种为节约内存而开发的顺序型数据结构。

• 压缩列表被用作列表键和哈希键的底层实现之一。

• 压缩列表可以包含多个节点，每个节点可以保存一个字节数组或者整数值。

• 添加新节点到压缩列表， 或者从压缩列表中删除节点， 可能会引发连锁更新操作， 但这种操作出现的几率并不高。

最后

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