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Redis系列之底层数据结构SDS详解

目录
  • 实验的环境
  • 什么是SDS?
  • 为什么要使用SDS?
    • 获取字符串长度
    • 避免缓存区溢出
    • 减少字符串内存重新分配次数
    • 二进制安全
    • 兼容部分C字符串函数
  • C字符串和SDS对比
    • 总结

      实验的环境

      • Redis 6.0
      • VSCode 1.88.1

      什么是SDS?

      SDS:Simple Dynamic String,翻译为简单动态字符串。

      SDS是一种用于存储二进制数据的数据结构,具有动态扩容的特点,代码位于src/sds.hsrc/sds.c

      SDS的总体数据结js构大致如图:在源码里sds包括几个部分,lenallocflagsbuf,其中 sdshdr是头部,buf是真实存储数据android的地方,在存储的数据后面会跟一个\0,所以数据加上\0就是所谓的buf

      Redis系列之底层数据结构SDS详解

      • len:保存了SDS字符串的长度
      • buf[]:保存数据的地方
      • alloc:分别以uint8, uint16, uint32, uint64表示整个SDS
      • flags:始终为一字节, 以低三位标示着头部的类型, 高5位未使用

      查看源码sds.h,可以看到SDS里面有几种不同的头部,其中sdshdr5实际并未使用到,所以实际上有四种不同的头部

      /* Note: sdshdr5 is never used, we just Access the flags byte directly.
       * However is here to document the layout of type 5 SDS strings. */
      struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr5 {
          unsigned char flags; /* 3 lsb ophpf type, and 5 msb of string length */
          char buf[];
      };
      struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr8 {
          uint8_t len; /* used */
          uint8_t alloc; /* excluding the header and null terminator */
          unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits */
          char buf[];
      };
      struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr16 {
          uint16_t len; /* used */
          uint16_t alloc; /* excluding the header and null terminator */
          unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits */
          char buf[];
      };
      struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr32 {
          uint32_t len; /* used */
          uint32_t alloc; /* excluding the header and null terminator */
          unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits */
          char buf[];
      };
      struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr64 {
          uint64_t len; /* used */
          uint64_t alloc; /* excluding the header and null terminator */
          unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits */
          char buf[];
      };

      为什么要使用SDS?

      Redis是用C语言写的,为什么不直接就用C语言里的char来定义字符串?

      获取字符串长度

      由于有len属性,所以获取SDS字符串的长度只需要读取len属性,所以时间复杂度为O(1)

      如果直接使用C语言中的字符串来实现,获取字符串的长度需要遍历计数,时间复杂度为O(n)

      避免缓存区js溢出

      C语言中,如果使用strcat函数来进行两个字符串的拼接,如果没有分配足够长度的内存空间,就会造成缓存区溢出。

      而对于SDS数据类型,在进行字符串修改的时候,会根据记录的len属性检查内存空间是否满足需求,如果不满足,会进行相应空间的扩展,所以不会出现缓存区溢出

      减少字符串内存重新分配次数

      C语言中字符串,是不会记录字符串的长度的,所以一旦修改了字符串,就需要重新分配内存,因为如果没有重新分配,字符串长度增大时会造成内存溢出区溢出,php长度减小时会造成内存泄漏。

      而对于SDS来说,因为有长度熟悉lenalloc属性的存在,SDS实现了空间预分配惰性空间释放两种策略来减少重新分配内存

      1. 空间预分配:SDS对空间进行扩展的时候,扩展的内存比实际需要的多,这样可以减少字符串增长操作所需的内存重新分配次数
      2. 惰性空间释放:SDS对字符串进行缩短操作时,不会立即进行内存重新分配,来回收缩短后多余的内存空间,而是使用alloc将这些字节数量记录下来,等待后续使用

      二进制安全

      C语言中,是以空字符串作为字符串结束的标识,但是一些特殊的字符串,可能就包括空字符串的,所以容易丢失数据,不能正确存取。

      而SDS是根据len属性,以处理二进制的方式来处理buf里的数据,所以保存数据更加安全

      兼容部分C字符串函数

      SDS可以重用C语言库<string.h>中的一部分函数

      C字符串和SDS对比

      C字符串SDS
      获取字符串长度时间复杂度为O(n)获取字符串的长度时间复杂度为O(1)
      不安全,可能会造成缓冲区溢出安全,不会造成缓冲区溢出
      修改字符串n次就需要进行n次内存分配修改字符串长度n次,最多需要n次内存分配
      只能保存文本数据可以保存文本数据或者二进制数据
      可以使用所有<string.h>库中的函数可以使用一部分<string.h>库中的函数

      总结

      以上为个人经验,希望能给大家一个参考,也希望大家多多支持编程客栈(www.devze.com)。

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