redis实现动态字符串SDS

1、SDS简介

无论是 Redis 的 Key 还是 Value，其基础数据类型都是字符串。例如，Hash 型 Value 的 field 与 value 的类型、List 型、Set 型、ZSet 型 Value 的元素的类型等都是字符串。虽然 Redis 是使用标准 C 语言开发的，但并没有直接使用 C 语言中传统的字符串表示，而是自定义了一 种字符串。这种字符串本身的结构比较简单，但功能却非常强大，称为简单动态字符串， Simple Dynamic String，简称 SDS。

注意，Redis 中的所有字符串并不都是 SDS，也会出现 C 字符串。C 字符串只会出现在字 符串“字面常量”中，并且该字符串不可能发生变更。 redisLog(REDIS_WARNNING, “sdfsfsafsafds”);

 2、SDS结构

SDS 不同于 C 字符串。C 字符串本身是一个以双引号括起来，以空字符’\0’结尾的字符序列。但SDS是一个结构体，定义在Redis安装目录下的src/sds.h中。

struct sdshdr {
// 字节数组，用于保存字符串
char buf[];
// buf[]中已使用字节数量，称为 SDS 的长度
int len;
// buf[]中尚未使用的字节数量
int free;
}

例如执行 SET country “China”命令时，键 country 与值”China”都是 SDS 类型的，只不过 一个是 SDS 的变量，一个是 SDS 的字面常量。”China”在内存中的结构如下：

通过以上结构可以看出，SDS 的 buf 值实际是一个 C 字符串，包含空字符’\0’共占 6 个字 节。但 SDS 的 len 是不包含空字符’\0’的。

该结构与前面不同的是，这里有 3 字节未使用空间。

3、SDS的优点

C 字符串使用 Len+1 长度的字符数组来表示实际长度为 Len 的字符串，字符数组最后以 空字符’\0’结尾，表示字符串结束。这种结构简单，但不能满足 Redis 对字符串功能性、安全 性及高效性等的要求。

（1）、防止“字符串长度获取”性能瓶颈

对于C字符串，若要获取其长度，则必须要通过遍历整个字符串才可以获取到的。对于超常字符串的遍历，会成为系统的性能瓶颈。

但是，由于SDS结构体中直接就存放着字符串的长度数据，所以对于获取字符串长度需要消耗的系统性能，与字符串本身长度是无关的，不会成为Redis的性能瓶颈。

（2）保障二进制安全

C 字符串中只能包含符合某种编码格式的字符，例如 ASCII、UTF-8 等，并且除了字符串 末尾外，其它位置是不能包含空字符’\0’的，否则该字符串就会被程序误解为提前结束。而 在图片、音频、视频、压缩文件、office 文件等二进制数据中以空字符’\0’作为分隔符的情况 是很常见的。故而在 C 字符串中是不能保存像图片、音频、视频、压缩文件、office 文件等 二进制数据的。 但 SDS 不是以空字符’\0’作为字符串结束标志的，其是通过 len 属性来判断字符串是否 结束的。所以，对于程序处理 SDS 中的字符串数据，无需对数据做任何限制、过滤、假设， 只需读取即可。数据写入的是什么，读到的就是什么。

（3）、减少内存再分配次数

SDS采用了空间预分配策略与惰性空间释放策略来避免内存再分配问题。

空间预分配策略是指，每次SDS进行空间扩展时，程序不但为其分配所需的空间，还会为其分配额外的未使用的空间，以减少内存再分配次数。而额外分配的未使用空间大小取决于空间扩展后SDS的len属性值。

如果 len 属性值小于 1M，那么分配的未使用空间 free 的大小与 len 属性值相同。

如果 len 属性值大于等于 1M ，那么分配的未使用空间 free 的大小固定是 1M。

SDS对于空间释放采用的是惰性空间释放策略。该策略是指，SDS字符串长度如果缩短，那么多出的未使用空间将暂时不释放，而是增加到free中。以使后期扩展SDS时减少内存再分配次数。

如果要释放 SDS 的未使用空间，则可通过 sdsRemoveFreeSpace()函数来释放。

（4）兼容C函数

Redis 中提供了很多的 SDS 的 API，以方便用户对 Redis 进行二次开发。为了能够兼容 C 函数，SDS 的底层数组 buf[]中的字符串仍以空字符’\0’结尾。 现在要比较的双方，一个是 SDS，一个是 C 字符串，此时可以通过 C 语言函数 strcmp(sds_str->buf，c_str）

4、基本操作

数据结构的基本操作不外乎增、删、改、查，SDS也不例外。由于Redis 3.2后的SDS涉及多种类型，修改字符串内容带来的长度变化可能会影响SDS的类型而引发扩容。

4.1、创建字符串

Redis通过sdsnewlen函数创建SDS。在函数中会根据字符串长度选择合适的类型，初始化完相应的统计值后，返回指向字符串内容的指针，根据字符串长度选择不同的类型：

    sds sdsnewlen(const void ＊init, size_t initlen) {
        void ＊sh;
        sds s;
        char type = sdsReqType(initlen); //根据字符串长度选择不同的类型
        if (type == SDS_TYPE_5 && initlen == 0) type = SDS_TYPE_8; //SDS_TYPE_5强制转化
            为SDS_TYPE_8
        int hdrlen = sdsHdrSize(type); //计算不同头部所需的长度
        unsigned char ＊fp; /＊ 指向flags的指针 ＊/
        sh = s_malloc(hdrlen+initlen+1); //"+1"是为了结束符'\0'
        ...
        s = (char＊)sh+hdrlen; //s是指向buf的指针
        fp = ((unsigned char＊)s)-1; //s是柔性数组buf的指针，-1即指向flags
        ...
        s[initlen] = '\0'; //添加末尾的结束符
        return s;
    }

注意： Redis 3.2后的SDS结构由1种增至5种，且对于sdshdr5类型，在创建空字符串时会强制转换为sdshdr8。原因可能是创建空字符串后，其内容可能会频繁更新而引发扩容，故创建时直接创建为sdshdr8。

创建SDS的大致流程：首先计算好不同类型的头部和初始长度，然后动态分配内存。需要注意以下3点：

• 创建空字符串时，SDS_TYPE_5被强制转换为SDS_TYPE_8。
• 长度计算时有“+1”操作，是为了算上结束符“\0”。
• 返回值是指向sds结构buf字段的指针。

返回值sds的类型定义如下：

typedef char ＊sds;

从源码中我们可以看到，其实s就是一个字符数组的指针，即结构中的buf。这样设计的好处在于直接对上层提供了字符串内容指针，兼容了部分C函数，且通过偏移能迅速定位到SDS结构体的各处成员变量。

4.2、释放字符串

SDS提供了直接释放内存的方法——sdsfree，该方法通过对s的偏移，可定位到SDS结构体的首部，然后调用s_free释放内存：

    void sdsfree(sds s) {
        if (s == NULL) return;
        s_free((char＊)s-sdsHdrSize(s[-1])); //此处直接释放内存
    }

为了优化性能（减少申请内存的开销）, SDS提供了不直接释放内存，而是通过重置统计值达到清空目的的方法——sdsclear。该方法仅将SDS的len归零，此处已存在的buf并没有真正被清除，新的数据可以覆盖写，而不用重新申请内存：

    void sdsclear(sds s) {
        sdssetlen(s, 0); //统计值len归零
        s[0] = '\0'; //清空buf
    }

4.3、拼接字符串

拼接字符串操作本身不复杂，可用sdscatsds来实现，代码如下：

    sds sdscatsds(sds s, const sds t) {
        return sdscatlen(s, t, sdslen(t));
    }

sdscatsds是暴露给上层的方法，其最终调用的是sdscatlen。由于其中可能涉及SDS的扩容，sdscatlen中调用sdsMakeRoomFor对带拼接的字符串s容量做检查，若无须扩容则直接返回s；若需要扩容，则返回扩容好的新字符串s。函数中的len、curlen等长度值是不含结束符的，而拼接时用memcpy将两个字符串拼接在一起，指定了相关长度，故该过程保证了二进制安全。最后需要加上结束符。

    /＊ 将指针t的内容和指针s的内容拼接在一起，该操作是二进制安全的＊/
    sds sdscatlen(sds s, const void ＊t, size_t len) {
        size_t curlen = sdslen(s);
        s = sdsMakeRoomFor(s, len);
        if (s == NULL) return NULL;
        memcpy(s+curlen, t, len); //直接拼接，保证了二进制安全
        sdssetlen(s, curlen+len);
        s[curlen+len] = '\0'; //加上结束符
        return s;
    }

下图描述了sdsMakeRoomFor的实现过程。

Redis的sds中有如下扩容策略：

1）若sds中剩余空闲长度avail大于新增内容的长度addlen，直接在柔性数组buf末尾追加即可，无须扩容。代码如下：

    sds sdsMakeRoomFor(sds s, size_t addlen)
    {
        void ＊sh, ＊newsh;
        size_t avail = sdsavail(s);
        size_t len, newlen;
        char type, oldtype = s[-1] & SDS_TYPE_MASK; //s[-1]即flags
        int hdrlen;
        if (avail >= addlen) return s; //无须扩容，直接返回
        ...
    }

2）若sds中剩余空闲长度avail小于或等于新增内容的长度addlen，则分情况讨论：新增后总长度len+addlen<1MB的，按新长度的2倍扩容；新增后总长度len+addlen>1MB的，按新长度加上1MB扩容。代码如下：

    sds sdsMakeRoomFor(sds s, size_t addlen)
    {
        ...
        newlen = (len+addlen);
        if (newlen < SDS_MAX_PREALLOC)// SDS_MAX_PREALLOC这个宏的值是1MB
            newlen ＊= 2;
        else
            newlen += SDS_MAX_PREALLOC;
        ...
    }

3）最后根据新长度重新选取存储类型，并分配空间。此处若无须更改类型，通过realloc扩大柔性数组即可；否则需要重新开辟内存，并将原字符串的buf内容移动到新位置。具体代码如下：

    sds sdsMakeRoomFor(sds s, size_t addlen)
    {
        ...
        type = sdsReqType(newlen);
        /＊ type5的结构不支持扩容，所以这里需要强制转成type8＊/
        if (type == SDS_TYPE_5) type = SDS_TYPE_8;
        hdrlen = sdsHdrSize(type);
        if (oldtype==type) {
        /＊无须更改类型，通过realloc扩大柔性数组即可，注意这里指向buf的指针s被更新了＊/
                    newsh = s_realloc(sh, hdrlen+newlen+1);
            if (newsh == NULL) return NULL;
            s = (char＊)newsh+hdrlen;
        } else {
            /＊ 扩容后数据类型和头部长度发生了变化，此时不再进行realloc操作，而是直接重新开辟内存，
              拼接完内容后，释放旧指针＊/
            newsh = s_malloc(hdrlen+newlen+1); //按新长度重新开辟内存
            if (newsh == NULL) return NULL;
            memcpy((char＊)newsh+hdrlen, s, len+1); //将原buf内容移动到新位置
            s_free(sh); //释放旧指针
            s = (char＊)newsh+hdrlen; //偏移sds结构的起始地址，得到字符串起始地址
            s[-1] = type; //为falgs赋值
            sdssetlen(s, len); //为len属性赋值
        }
        sdssetalloc(s, newlen); //为alloc属性赋值
        return s;
    }

4.4、其余API

下表列出了其他常用的API：

学习时把握以下两点：

• SDS暴露给上层的是指向柔性数组buf的指针。
• 读操作的复杂度多为O(1)，直接读取成员变量；涉及修改的写操作，则可能会触发扩容。

到此这篇关于redis实现动态字符串SDS的文章就介绍到这了,更多相关redis 动态字符串SDS内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家！

最新评论