Redis内部数据结构详解之简单动态字符串(sds)
Jun 07, 2016 pm 03:22 PM预备知识 下面介绍有关sizeof计算参数所占字节数的部分实例,方便下面对sds数据结构地址的计算理解 typedef struct Node{ int len; char str[5];}Node;typedef struct Node2{ int len; char str[];}Node2;sizeof(char*) = 4sizeof(Node*) = 4sizeof(Node) =
预备知识
下面介绍有关sizeof计算参数所占字节数的部分实例,方便下面对sds数据结构地址的计算理解
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简单解释下上述sizeof的结果值,前两个等于4是因为指针;第三个值等于12是因为len占4个字节,char str[5]实际应该占5个字节,但是由于计算机内存对齐的原因其实际占8个字节;最后一个等于4,因为char str[]没有实际长度,不被分配内存。
了解sizeof之后还需要了解stdarg.h中的va_list, va_start,va_end,va_copy的知识,这个在网上有很多就不多解释了。
简单动态字符串sds与char*对比
sds在Redis中是实现字符串对象的工具,并且完全取代char*.
char*的功能比较单一,不能实现Redis对字符串高效处理的需求,char*的性能瓶颈主要在:计算字符串长度需要使用strlen函数,该函数的时间复杂度是O(N),而在Redis中计算字符串长度的操作十分频繁,O(N)的时间复杂度完全不能接受,sds实现能在O(1)时间内得到字符串的长度值;同时,在处理字符串追加append操作时,如果使用char*则需要多次重新分配内存操作。
简单动态字符串sds数据结构
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通过增加len字段,就可以实现在O(1)时间复杂度内得到字符串的长度,增加free字段,在需要append字符串时,如果free的值大于等于需要append的字符串长度,那么直接追加即可,不需要重新分配内存。sizeof(sdshdr) = 8.
简单动态字符串sds中函数API
函数名称 |
作用 |
复杂度 |
sdsnewlen |
创建一个指定长度的sds,接受一个指定的C字符串作为初始化值 |
O(N) |
sdsempty |
创建一个只包含空字符串””的sds |
O(N) |
sdsnew |
根据给定的C字符串,创建一个相应的sds |
O(N) |
sdsdup |
复制给定的sds |
O(N) |
sdsfree |
释放给定的sds |
O(1) |
sdsupdatelen |
更新给定sds所对应的sdshdr的free与len值 |
O(1) |
sdsclear |
清除给定sds的buf,将buf初始化为””,同时修改对应sdshdr的free与len值 |
O(1) |
sdsMakeRoomFor |
对给定sds对应sdshdr的buf进行扩展 |
O(N) |
sdsRemoveFreeSpace |
在不改动sds的前提下,将buf的多余空间释放 |
O(N) |
sdsAllocSize |
计算给定的sds所占的内存大小 |
O(1) |
sdsIncrLen |
对给定sds的buf的右端进行扩展或缩小 |
O(1) |
sdsgrowzero |
将给定的sds扩展到指定的长度,空余的部分用\0进行填充 |
O(N) |
sdscatlen |
将一个C字符串追加到给定的sds对应sdshdr的buf |
O(N) |
sdscpylen |
将一个C字符串复制到sds中,需要依据sds的总长度来判断是否需要扩展 |
O(N) |
sdscatprintf |
通过格式化输出形式,来追加到给定的sds |
O(N) |
sdstrim |
对给定sds,删除前端/后端在给定的C字符串中的字符 |
O(N) |
sdsrange |
截取给定sds,[start,end]字符串 |
O(N) |
sdscmp |
比较两个sds的大小 |
O(N) |
sdssplitlen |
对给定的字符串s按照给定的sep分隔字符串来进行切割 |
O(N) |
Redis中sds实现的细节解析
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上述两个函数sdslen, sdsavail分别用来计算给定的sds的字符串长度和给定的sds空余的字节数。仔细观察会发现函数的参数是sds即char *,接着通过一行代码就能得到给定sds所对应的sdshdr数据结构,貌似很神奇的样子啊!
看Redis中初始化一个sds的代码
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核心函数是sdsnewlen,sh = zmalloc(sizeof(struct sdshdr)+initlen+1)为sdshdr数据结构分配内存,该段内存分为两个部分:sdshdr数据结构所占的内存数sizeof(sdshdr),我们知道其值为8;initlen+1为sdshdr数据结构中buf的内存。而sdsnewlen函数的返回值是buf的首地址,这样在看sdslen函数,通过给定的sds首地址减去sizeof(sdshdr),那么就应该是该sds所对应的sdshdr数据结构首地址,自然就能得到sh->len与sh->free。这种操作真的很神奇,这就是C语言指针的妙用,而且使用这种方式,很好的隐藏了sdshdr数据结构,对外接口全部同C字符串类似,却达到了求取sds字符串长度时间复杂度O(1)与降低append操作频繁申请内存的效果。
简单动态字符串sds空间扩展操作解析
sds模块的函数都比较简单,不一一介绍,主要讲解sds如何对空间进行扩展的,扩展操作主要在append操作的时候使用。
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小结
Redis的简单动态字符串sds对比C语言的字符串char*,有以下特性:
1) 可以在O(1)的时间复杂度得到字符串的长度
2) 可以高效的执行append追加字符串操作
3) 二进制安全
sds通过判断当前字符串空余的长度与需要追加的字符串长度,如果空余长度大于等于需要追加的字符串长度,那么直接追加即可,这样就减少了重新分配内存操作;否则,先用sdsMakeRoomFor函数先对sds进行扩展,按照一定的机制来决定扩展的内存大小,然后再执行追加操作,扩展后多余的空间不释放,方便下次再次追加字符串,这样做的代价就是浪费了一些内存,但是在Redis字符串追加操作很频繁的情况下,这种机制能很高效的完成追加字符串的操作。
由于sds其他的函数比较简单,如果有问题的可以在回复中提出。
指出一点2.8源码中sds作者作出的注释有一处是错误的,具体就不列出了。
最后感谢黄健宏(huangz1990)的Redis设计与实现及其他对Redis2.6源码的相关注释对我在研究Redis2.8源码方面的帮助。

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