Redis:數據結構與對象 （簡單對象字符串SDS）

Redis 數據庫裏面的每個鍵值對（key-value pair） 都是由對象（object）組成，其中

• 數據庫鍵總是一個字符串對象（string object）；
• 數據庫值則可以是字符串對象（string object）、列表對象（list object） 、哈希對象（hash object）、集合對象（set object）、有序集合對象（sorted set object） 這五種對象中的一種。

Redis 是用C實現的，但是Redis中沒有直接使用C語言傳統的字符串表示，而是構建了一種名爲簡單動態字符串的抽象類型（simple dynamic string）SDS，作爲Redis的默認字符串表示。

/*
 *  /src/sds.h
 * 保存字符串對象的結構
 */
struct sdshdr {
    
    // buf 中已佔用空間的長度
    //記錄buf數組中已使用的字節的數量，等於SDS所保存的字符串的長度
    int len;

    // buf 中剩餘可用空間的長度
    int free;

    // 數據空間
    char buf[];
};

SDS遵循C字符串以空字符結尾的慣例，保存空字符的一字節空間不計算在SDS的len屬性裏面，並且爲空字符分配額外的一字節空間。添加空字符到字符串末位等操作，是有SDS函數自動完成，對於使用者來說是完全透明的。這樣的好處是，SDS可以直接重用一部分C字符串函數庫裏面的函數。比如

printf("%s",s->buf);

來打印SDS保存的字符串值，無需爲SDS編寫專門的打印函數。

對C字符串和SDS之間的區別，和原因：

1. 因爲C字符串並不記錄自身的長度信息，所以爲了獲取一個C字符串的長度，程序必須遍歷整個字符串。和C字符串不同，因爲SDS在len屬性中記錄了SDS本身的長度，所以可以直接獲取得到。
2. C中字符串的拼接，假設程序裏有兩個在內存中緊鄰的C字符串s1和s2,如下：
   如果一個在執行strcat（s1," Cluster"）之前，沒有給s1分配足夠的空間。那麼在執行strcat函數之後，s1的數據將溢出到s2所在的空間中，導致s2保存的內容被意外的修改。與C字符串不同，當SDS修改時，會先檢查SDS的空間是否滿足修改所需的要求，不滿足的話會自動將空間擴展，這樣就不會出現緩衝區溢出的問題。
3. 因爲C字符串並不記錄自身的長度，所以對於一個包含了N個字符串的C字符串來說，這個C字符串的底層實現總是一個N+1的字符長的數組。所以每次增加或者縮短一個C字符串，程序總要對保存這個C字符串的數組進行一次內存的重新分配操作。比如拼接操作（append）,執行前需要先通過內存的重新分配來擴展底層數組的空間大小，否則這一步就會產生緩衝區溢出。比如截斷操作（trim）,執行之後需要通過內存重新分配釋放字符串不再使用的空間，否則這一步會產生內存的泄露。爲了避免C字符串的這種缺陷，SDS解除了字符串長度和底層數組長度之間的關聯：在SDS中，buf數組的長度不一定就是字符數量加一，數組裏面可以包含未使用的字節，而這些字節的數量就由free屬性記錄。通過未使用空間，SDS實現了空間預分配和惰性空間釋放優化策略。

• 空間預分配：
  對SDS進行增加操作，需要空間擴展時（free的大小小於需要添加的長度），如果擴展後SDS的長度（len）小於1MB，那麼程序將分配len大小的未使用空間，這時SDS len屬性的值將和free屬性的相同。實際buf長度爲 len + len+1 。對於增加後 len大於1MB，程序會分配1M的未使用空間，實際的buf長度爲 len + 1MB+ 1byte。
  
  sdscat(s," cluster");

• 惰性釋放
  當SDS需要縮短SDS保存的字符串時，程序並不立即使用內存重分配來回收縮短後多出來的字節空間，而是使用free記錄起來，等待將來使用。
  sdstrim(s,"XY"); //移除SDS字符串中所有X和Y
  於此同時，SDS也提供了相應的API，可以在有需要的時候，真正的釋放出SDS未使用空間sdsfree()。

4. 對於保存數據的格式，C字符串中的字符必須符合某種編碼，並且除了字符串的末尾之外，字符串裏面不能包含空字符，否則最先被程序讀入的空字符將被誤認爲是字符串的結尾，所以限制了C字符串只能保存文本數據，不能夠保存像圖片、音視頻、壓縮文件這樣的二進制數據。而SDS是使用len的值來判斷字符串是否結束，所以沒有任何問題。
5. 因爲SDS一樣遵循C字符串以空字符結尾的慣例，是爲了讓保存文本數據的SDS可以重用一部分<string.h> 庫定義的函數，減少不必要的代碼重複。

總結：

• Redis只會使用C字符串作爲字面量，在大多數情況下，Redis使用SDS作爲字符串表示。
• 比起C字符串，SDS有一下優點：
  • 能夠直接獲取字符串長度
  • 杜絕緩衝區溢出
  • 減少修改字符串長度時所需的內存重分配次數
  • 二進制安全
  • 兼容部分C字符串函數