Redis目前在Key-Value存儲以及緩存系統中有着非常廣泛的應用，且以高效快速著稱。不同於其他Key-Value數據庫，Redis提供了豐富的數據結構類型，value可以是字符串、列表、哈希和有序集等，爲用戶操作帶來了極大的便利。本文希望通過分析其內部數據結構及算法的實現機制，來揭示其高性能的背後的原因。
動態字符串
由於所有的Key都是字符串，字符串在Redis中的應用非常廣泛。Redis底層使用sds（Simple Dynamic String）表示簡單字符串，從而替代C語言中的char *類型，以支持高效的字符串擴展操作。
sds的實現方式如下，其中sds是char *的別名。當新增一個value爲字符串類型的鍵值對時，Redis將value存儲在一個adshdr實例中，buf[]存儲value的實際數據，爲buf[]分配的空間長度與value當前所佔空間相同，即len爲value的長度（包括字符串末尾的’\0’），free爲0。在創建adshdr實例完成後，函數將指向buf[]的指針返回給sds，以便於管理adshdr結構體實例的增、刪、改、查等操作。
<p><pre name="code" class="cpp">typedef char *sds;
struct sdshdr {
int len; // buf 已使用長度
int free; // buf 可用長度
char buf[]; // 所保存的字符串數據
};當對value進行append操作時，顯然，最初創建時分配給sds的空間已無法滿足存儲要求，因而Redis會爲buf[]動態分配存儲空間。當新字符串的總長度小於時sds最大預分配長度時，新的存儲空間所能存放的字符串長度爲(oldStr.length + appendStr.length) * 2 + 1，其中後面的“+1”用來存放‘\0’；否則，就分配appendStr的長度 + 最大預分配長度 的空間。同時，還要同步更新實例中len和free的值，如果buf[]的地址發生了改變，也要更新sds的值。
由於sds中預分配機制的存在，避免了每次value的追加都要進行內存分配步驟，很大地提高了append操作的效率。除此之外，相比於C的char *，sds使用len變量記錄字符已使用的長度，從而使用戶可以快速地獲取字符串的長度信息。
字典
Redis的字典（Dictionary）的底層實現利用的是hash表。字典的結構體如下：
typedef struct dict {
dictType *type; // hash表的類型，可以是string, list等
void *privdata; // 類型處理函數的私有數據
dictht ht[2]; // 哈希表（2 個）
int rehashidx; // 是否在進行rehash 的標誌位
int iterators; // 當前運行的安全迭代器數量
} dict;哈希表的結構如下：
typedef struct dictht {
dictEntry **table; // 哈希表節點指針數組（即bucket）
unsigned long size; // 指針數組的大小
// 指針數組的長度掩碼，用於計算索引值
unsigned long sizemask;
unsigned long used; // 哈希表現有的節點數量
} dictht;哈希表中的每一個元素指向一個表結點，即dictEntry結構體實例的指針，每個dictEntry由一個鍵值對和一個指向後繼表節點的指針next構成，從而可以使用鏈地址法處理哈希衝突。
（圖來自《Redis內存存儲結構分析》）
一個字典實例中有兩個hash表，當在空字典中添加第一條數據時，Redis會爲ht[0]所指向的table分配一定的存儲空間；隨着數據量的逐漸增多，字典的索引利用率達到一定比例時，需要對字典進行rehash的操作，從而保證字典的查詢和插入效率保持在較高的水準，即字典的expend。這時，會創建一個更大的table（空間至少爲ht[0]的兩倍），其地址被賦給ht[1]，字典中的數據將由ht[0]遷移到ht[1]。
在遷移過程開始時，rehashidx值設置爲0，標誌着字典處於遷移狀態；遷移結束後，ht[0]的數據將被清空，並將ht[1]更改爲新的ht[0]，ht[1]指向一個新的空hash表，rehashidx的值重新設爲-1，標誌着字典不在數據遷移狀態中。
如果table中的數據量比較大，就會出現遷移時間過長的問題，致使在一個相對較長的時間段內，用戶無法進行其他操作。因此在實際中，數據遷移是分階段完成的，rehashidx會記錄rehash進行到ht[0]的哪個索引位置上。在遷移過程中，若對字典進行添加操作，則新的節點將會添加到ht[1]中；若對字典進行刪除或查找操作，則需要在ht[0]和ht[1]上同時進行。
由於hash表中數據量是動態變化的，當索引的利用率較低時，也可以通過rehash進行字典收縮（shrink）操作，即用一個將數據遷移到一個更小的table中。不同的是，字典的expend操作是自動觸發的，而shrink是通過程序調用執行的。
跳躍表
跳躍表是一種隨機化數據結構，基於並聯的列表，其插入、查找、刪除的時間複雜度均爲log（n），可與二叉樹相媲美。跳躍表主要由表頭、節點和表尾組成，其節點分佈在多層鏈表中。
跳躍表由結構體zskiplist定義：
typedef struct zskiplist {
struct zskiplistNode *header, *tail; // 頭節點，尾節點
unsigned long length; // 節點數量
int level; // 表中節點的最大層數
} zskiplist;表的節點由zskiplistNode定義，每個節點中存有一個Score-Member指針對，score爲跳躍表的索引，*obj指向存儲值member的域。
typedef struct zskiplistNode {
robj *obj; // member 對象
double score;
struct zskiplistNode *backward; // 後退指針
// 層
struct zskiplistLevel {
struct zskiplistNode *forward; // 前進指針
unsigned int span; // 本層兩個節點的間隔
} level[];
} zskiplistNode;跳躍表在Redis中應用的結構示意圖如下：
（圖來自 《Redis設計與實現》）
跳躍表在Redis中主要用作有序集類型的底層數據結構，通過層層遍歷查找與給定score值相一致的節點，從而獲取member的值。跳躍表編碼的有序集由一個dictionary和skiplist構成。首先通過dictionary查找出score的值，然後再根據score值在skiplist查取想要獲得的value。