redis對象

前面我們學習了redis各種數據結構，包括簡單動態字符串、鏈表、字典、哈希表、整數集合、壓縮列表，其實redis實際不是直接使用這些數據結構的，而是使用稱爲redis對象的數據結構：redisObject。

1. redis對象定義

redis對象的定義如下：

typedef struct redisObject {
    //對象類型
    unsigned type:4;
    //對象編碼
    unsigned encoding:4;
    //最後一次被訪問的時間
    unsigned lru:LRU_BITS; /* lru time (relative to server.lruclock) */
    //對象的引用計數
    int refcount;
    //底層數據結構
    void *ptr;
} robj;

1.1 對象類型-type

其中type表示的是具體數據類型，類型包括如下幾種：

類型常量	對象的名稱
REDIS_STRING	字符串對象
REDIS_LIST	列表對象
REDIS_HASH	哈希對象
REDIS_SET	集合對象
REDIS_ZSET	有序集合對象

redis中的鍵總是一個字符串對象，值可以是上述幾種對象的一種。

當我們對redis鍵使用type命令時，返回的結果是值的類型，看下例：

127.0.0.1:6379> set msg "hello world"
OK
127.0.0.1:6379> type msg
string
127.0.0.1:6379> hset jack age 23
(integer) 1
127.0.0.1:6379> type jack
hash

鍵msg對應的值對象是字符串對象、鍵jack對應的值對象是哈希對象，下表展示了不同對象類型type命令的輸出：

對象	對象type屬性的值	type命令的輸出
字符串對象	REDIS_STRING	“string”
列表對象	REDIS_LIST	“list”
哈希對象	REDIS_HASH	“hash”
集合對象	REDIS_SET	”set”
有序集合對象	REDIS_ZSET	“zset”

1.2 對象編碼-encoding

encoding記錄了對象的編碼，也就是這個對象使用了什麼樣的底層數據結構實現的，下表展示了encoding的可能取值：

編碼常量	編碼所對應的底層數據結構
REDIS_ENCODING_INT	long類型的整數
REDIS_ENCODING_EMBSTR	embstr編碼的簡單動態字符串
REDIS_ENCODING_RAW	簡單動態字符串
REDIS_ENCODING_HT	字典
REDIS_ENCODING_LINKEDLIST	雙端鏈表
REDIS_ENCODING_ZIPLIST	壓縮列表
REDIS_ENCODING_INTSET	整數集合
REDIS_ENCODING_SKIPLIST	跳錶和字典

下表展示了每種類型的對象使用的所有可能編碼：

類型	編碼	對象
REDIS_STRING	REDIS_ENCODING_INT	使用整數實現的字符串對象
REDIS_STRING	REDIS_ENCODING_EMBSTR	使用embstr編碼的簡單動態字符串實現的字符串對象
REDIS_STRING	REDIS_ENCODING_RAW	使用簡單動態字符串實現的字符串對象
REDIS_LIST	REDIS_ENCODING_ZIPLIST	使用壓縮列表實現的列表對象
REDIS_LIST	REDIS_ENCODING_LINKEDLIST	使用雙端鏈表實現的列表對象
REDIS_HASH	REDIS_ENCODING_ZIPLIST	使用壓縮列表實現的哈希對象
REDIS_HASH	REDIS_ENCODING_HT	使用字典實現的哈希對象
REDIS_SET	REDIS_ENCODING_INTSET	使用整數集合實現的集合對象
REDIS_SET	REDIS_ENCODING_HT	使用字典實現的集合對象
REDIS_ZSET	REDIS_ENCODING_ZIPLIST	使用壓縮列表實現的有序集合對象
REDIS_ZSET	REDIS_ENCODING_SKIPLIST	使用跳錶和字典實現的有序集合對象

使用object encoding命令可以查看一個鍵的值對象的編碼，例如：

127.0.0.1:6379> set msg "hello redis"
OK
127.0.0.1:6379> type msg
string
127.0.0.1:6379> object encoding msg
"embstr"
127.0.0.1:6379> lpush languages chinese japanese english
(integer) 3
127.0.0.1:6379> type languages
list
127.0.0.1:6379> object encoding languages
"ziplist"

其中列表languages的編碼是ziplist。

redis每種類型的對象都關聯2到3種編碼方式，不同的場景使用不同的編碼方式，提高了內存使用率。後面會詳細介紹每種類型的對象底層不同的編碼方式，以及同一種類型的對象不同編碼方式的轉換和轉換條件。

1.3 對象引用計數-refcount

redis通過對象的引用計數字段(refcount)來實現內存的回收。隨着對象的使用，該字段也會動態變化

創建一個新的對象時，refcount會被初始化爲1。
當對象被新的程序引用時，refcount計數遞增1。
當對象不再被一個程序使用時，refcount計數遞減1。
當refcount等於0的時候，對象所佔用的內存會被釋放。

除了實現內存回收外，還可以通過引用計數實現對象的共享，例如鍵A已經創建了包含整數值100的字符串對象，此時若鍵B也需要整數值100的字符串對象，那麼完全可以將鍵B的值指針指向鍵A創建的整數值100的字符串對象，並將該對象的引用計數加1 。這種方式極大的提高了內存使用率。

在redis初始化時，會創建10000個從0到9999的字符串對象，這些對象就成爲了共享對象。看下例：

127.0.0.1:6379> set k1 123
OK
127.0.0.1:6379> object refcount k1
(integer) 2
127.0.0.1:6379> set k2 123
OK
127.0.0.1:6379> object refcount k2
(integer) 3

首先設置k1的值爲123，通過object refcount命令看到它的引用計數變爲2了。這是因爲當redis初始化創建該對象時就將該對象的refcount設置爲1，這裏又將鍵k1設置爲123，該對象的refcount增加1，變爲2。

接着又將k2設置爲123，該對象的引用計數加1，變爲3。

另外，redis只共享編碼爲整數的字符串對象。因爲只有在共享對象和想要創建的對象相同時，才能使用共享對象。判斷兩個對象是否相等，對於編碼爲整數的字符串對象來說，時間複雜度爲O(1)；對於編碼爲字符串的字符串對象來說，時間複雜度爲O(N)；對於包含多個值的對象來說，時間複雜度爲O(N^2^)，所以爲了提高效率，redis只共享編碼爲整數的字符串對象。

1.4 對象的空轉時長-lru

redis對象的lru屬性記錄了該對象最後被程序訪問的時間，該屬性可以用來計算鍵的空轉時長，空轉時長就是通過將當前的時間減去對象的lru時間計算得到的。例如，通過object idle命令可以查看鍵的空轉時長是多少。

127.0.0.1:6379> object idletime k1
(integer) 700902

注意：命令object idletime比較特殊，它不會去修改對象的lru值。

另外，在內存回收的時候，空轉時間較長的鍵可能被優先回收。

1.5 對象的底層實現-ptr

redis對象的ptr字段指向了底層實現，這個底層實現是由encoding值決定的。

2. 字符串對象

字符串對象的類型(type)是string，編碼(encoding)是int、raw、embstr的一種。

2.1 int編碼的字符串對象

當字符串的值可以用long型整數來表示的時候，redis會將該字符串用int編碼。redis會將整數值保存在對象結構的ptr屬性裏面。此時ptr的類型由原來的void*變爲long*。例如，將k1設置爲123時，object encoding返回int。

127.0.0.1:6379> set k1 123
OK
127.0.0.1:6379> object encoding k1
"int"

該字符串對象如圖1示：

圖1

2.2 raw編碼的字符串對象

當字符串對象保存的是一個字符串值，並且這個字符串值長度大於39字節，redis用簡單動態字符串來保存這個值，並將對象的編碼設置爲raw。看下例子：

圖2

2.3 embstr編碼的字符串對象

當字符串對象保存的是一個字符串值，並且這個字符串值長度小於等於39字節，redis用embstr編碼的方式來保存這個字符串值。

embstr編碼是專門用來保存短字符串的一種優化編碼方式。embstr編碼和raw編碼一樣，都使用redisObject和sdshdr兩種數據結構來表示字符串對象。但是raw編碼會調用兩次內存分配函數分別爲redisObject和sdshdr分配內存空間，而embstr編碼只會調用一次內存分配函數爲redisObject和sdshdr分配一塊連續的內存空間。如下圖示，值爲”hello”的字符串對象：

圖3

這種方式的好處有：

分配內存次數降爲1次
釋放內存次數降爲1次
內存具有連續性，更好利用緩存

最後，double類型也可以通過字符串對象來保存，看下例子：

127.0.0.1:6379> set k3 1.234
OK
127.0.0.1:6379> object encoding k3
"embstr"

當在需要的時候，redis會在double和字符串之間正確轉換。

2.4 字符串對象各編碼之間的轉換

int編碼的和embstr編碼的字符串對象在滿足一定的條件下會轉換爲raw編碼來存儲。

向一個int編碼的字符串對象追加字符時，會直接轉換成raw編碼
embstr編碼的字符串對象執行任何修改時，會直接轉換成raw編碼，可以認爲embstr編碼的字符串對象是隻讀的

3 列表對象

列表對象的編碼可以是ziplist和linkedlist。

3.1 ziplist編碼的列表對象

下圖是一個ziplist編碼的列表對象，其中節點元素是字節數組”hello”、整數值23、整數值35。

圖4

3.2 linkedlist編碼的列表對象

linkedlist編碼的列表對象底層使用雙端鏈表實現，每個雙端鏈表節點都是一個字符串對象，下圖是一個linkedlist編碼的列表對象示意圖，其中鏈表包括兩個字符串對象（這裏的字符串對象簡化了）。

圖5

3.3 列表對象各編碼之間的轉換

當列表對象同時滿足如下兩個條件時使用ziplist編碼，否則使用linkedlist編碼

列表對象保存的所有字符串對象元素的長度都小於64字節
列表對象保存的元素數量小於512個

當然，這兩個值是可以在配置文件中修改的。

4. 哈希對象

哈希對象的編碼可以是ziplist和hashtable

4.1 ziplist編碼的哈希對象

ziplist編碼的哈希對象，當有新的鍵值對需要插入到哈希對象時，首先會將保存鍵的壓縮列表節點保存到壓縮列表的表尾，再將保存值的壓縮列表節點保存到壓縮列表的表尾。因此同一個鍵值對總是會緊挨在一起，前一個是鍵，後一個是值。

下圖所示壓縮列表編碼的哈希對象：

圖6

該哈希對象包括了兩個鍵值對age:23和name:jack，其中age:23是先添加的，name:jack是後添加的。

4.2 hashtable編碼的哈希對象

hashtable編碼的哈希對象使用字典作爲底層實現。

4.3 哈希對象各編碼之間的轉換

當哈希對象同時滿足以下兩個條件時，使用ziplist編碼，否則使用hashtable編碼

哈希對象保存的鍵值對的鍵和值長度都小於64字節
哈希對象保存的鍵值對數量小於512個

同樣地，這兩個數值可以通過配置文件進行配置。

5. 集合對象

集合的編碼是intset和hashtable。intset編碼的集合使用整數集合作爲底層實現。

5.1 intset編碼的集合對象

下面例子是一個包含三個整數的集合對象，使用了整數集合編碼。

圖7

5.2 hashtable編碼的集合對象

hashtable編碼的集合對象底層是用字典實現的，其中鍵就是集合的元素（字符串對象），值都是NULL。

5.3 集合對象各編碼之間的轉換

當集合對象同時滿足以下兩個條件時，對象使用intset編碼，否則使用hashtable編碼

集合對象保存的值都是整數
集合對象保存元素數量不超過512個

其中512這個值是可以通過配製文件修改的。

6. 有序集合對象

有序集合對象的編碼可以是ziplist和skiplist。

6.1 ziplist編碼的有序集合對象

ziplist編碼的有序集合對象，底層使用壓縮列表實現，每個集合元素由兩部分組成，第一個保存元素的成員，第二個保存元素的分值。並且壓縮列表集合內的元素按照分值從小到大排列。

例如，下圖是一個壓縮列表編碼的有序集合對象的例子，其中元素都是按照分值從小到大排序的。

圖8

6.2 skiplist實現的有序集合對象

skiplist實現的有序集合對象底層是通過跳錶和字典實現的。底層數據結構定義如下：

typedef struct zset {
  zskiplist *zsl;
  dict *dict;
} zset;

其中跳錶zsl按分值大小保存了有序集合的所有元素。

字典dict存儲了成員到分值的映射。

有序集合對象中的每個成員都是一個字符串對象，每個分值都是一個double類型的浮點數。zsl和dict會共用字符串和分值對象，不會產生額外的內存。

6.3 有序集合對象各編碼之間換轉換

當有序集合對象同時滿足以下兩個條件時，使用ziplist編碼，否則使用skiplist進行編碼

有序集合保存的所有元素成員的長度都小於64字節
有序集合保存的元素數量小於128個

同樣地，這兩個值也是可以通過配製文件配製的。

7. 類型檢查和命令多態

redis有很多命令，有些命令是通用的，可以對任何鍵執行。而有些命令只能對特定的鍵執行。

7.1 類型檢查

在執行一個命令前，會首先根據鍵去查找值對象，然後確定值對象redisObject的type類型是否是執行命令所需要的類型，如果是的話就執行命令，否則返回錯誤。

7.2 命令多態

除了進行類型檢查，redis還可以根據redisObject的編碼方式決定如何執行命令。

例如對於ziplist和linkedlist編碼的列表對象，當執行命令llen時，顯然會執行不同的方法獲取列表的長度。

參考：

Redis設計與實現. 黃健宏著

redis對象

redis對象

1. redis對象定義

1.1 對象類型-type

1.2 對象編碼-encoding

1.3 對象引用計數-refcount

1.4 對象的空轉時長-lru

1.5 對象的底層實現-ptr

2. 字符串對象

2.1 int編碼的字符串對象

2.2 raw編碼的字符串對象

2.3 embstr編碼的字符串對象

2.4 字符串對象各編碼之間的轉換

3 列表對象

3.1 ziplist編碼的列表對象

3.2 linkedlist編碼的列表對象

3.3 列表對象各編碼之間的轉換

4. 哈希對象

4.1 ziplist編碼的哈希對象

4.2 hashtable編碼的哈希對象

4.3 哈希對象各編碼之間的轉換

5. 集合對象

5.1 intset編碼的集合對象

5.2 hashtable編碼的集合對象

5.3 集合對象各編碼之間的轉換

6. 有序集合對象

6.1 ziplist編碼的有序集合對象

6.2 skiplist實現的有序集合對象

6.3 有序集合對象各編碼之間換轉換

7. 類型檢查和命令多態

7.1 類型檢查

7.2 命令多態

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