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Redis系列之底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)SDS詳解

 更新時間:2024年11月07日 09:02:32   作者:smileNicky  
SDS(簡單動態(tài)字符串)是Redis使用的核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),用于替代C語言的字符串,以解決長度獲取慢、內(nèi)存溢出等問題,SDS通過預(yù)分配與惰性釋放策略優(yōu)化內(nèi)存使用,增強安全性,且能存儲文本與二進制數(shù)據(jù),可查看源碼src/sds.h和src/sds.c了解更多

實驗的環(huán)境

  • Redis 6.0
  • VSCode 1.88.1

什么是SDS?

SDS:Simple Dynamic String,翻譯為簡單動態(tài)字符串。

SDS是一種用于存儲二進制數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),具有動態(tài)擴容的特點,代碼位于src/sds.hsrc/sds.c

SDS的總體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)大致如圖:在源碼里sds包括幾個部分,len、allocflagsbuf,其中 sdshdr是頭部,buf是真實存儲數(shù)據(jù)的地方,在存儲的數(shù)據(jù)后面會跟一個\0,所以數(shù)據(jù)加上\0就是所謂的buf

  • len:保存了SDS字符串的長度
  • buf[]:保存數(shù)據(jù)的地方
  • alloc:分別以uint8, uint16, uint32, uint64表示整個SDS
  • flags:始終為一字節(jié), 以低三位標(biāo)示著頭部的類型, 高5位未使用

查看源碼sds.h,可以看到SDS里面有幾種不同的頭部,其中sdshdr5實際并未使用到,所以實際上有四種不同的頭部

/* 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 of 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[];
};

為什么要使用SDS?

Redis是用C語言寫的,為什么不直接就用C語言里的char來定義字符串?

獲取字符串長度

由于有len屬性,所以獲取SDS字符串的長度只需要讀取len屬性,所以時間復(fù)雜度為O(1)。

如果直接使用C語言中的字符串來實現(xiàn),獲取字符串的長度需要遍歷計數(shù),時間復(fù)雜度為O(n)。

避免緩存區(qū)溢出

C語言中,如果使用strcat函數(shù)來進行兩個字符串的拼接,如果沒有分配足夠長度的內(nèi)存空間,就會造成緩存區(qū)溢出。

而對于SDS數(shù)據(jù)類型,在進行字符串修改的時候,會根據(jù)記錄的len屬性檢查內(nèi)存空間是否滿足需求,如果不滿足,會進行相應(yīng)空間的擴展,所以不會出現(xiàn)緩存區(qū)溢出

減少字符串內(nèi)存重新分配次數(shù)

C語言中字符串,是不會記錄字符串的長度的,所以一旦修改了字符串,就需要重新分配內(nèi)存,因為如果沒有重新分配,字符串長度增大時會造成內(nèi)存溢出區(qū)溢出,長度減小時會造成內(nèi)存泄漏。

而對于SDS來說,因為有長度熟悉lenalloc屬性的存在,SDS實現(xiàn)了空間預(yù)分配惰性空間釋放兩種策略來減少重新分配內(nèi)存

  1. 空間預(yù)分配:SDS對空間進行擴展的時候,擴展的內(nèi)存比實際需要的多,這樣可以減少字符串增長操作所需的內(nèi)存重新分配次數(shù)
  2. 惰性空間釋放:SDS對字符串進行縮短操作時,不會立即進行內(nèi)存重新分配,來回收縮短后多余的內(nèi)存空間,而是使用alloc將這些字節(jié)數(shù)量記錄下來,等待后續(xù)使用

二進制安全

C語言中,是以空字符串作為字符串結(jié)束的標(biāo)識,但是一些特殊的字符串,可能就包括空字符串的,所以容易丟失數(shù)據(jù),不能正確存取。

而SDS是根據(jù)len屬性,以處理二進制的方式來處理buf里的數(shù)據(jù),所以保存數(shù)據(jù)更加安全

兼容部分C字符串函數(shù)

SDS可以重用C語言庫<string.h>中的一部分函數(shù)

C字符串和SDS對比

C字符串SDS
獲取字符串長度時間復(fù)雜度為O(n)獲取字符串的長度時間復(fù)雜度為O(1)
不安全,可能會造成緩沖區(qū)溢出安全,不會造成緩沖區(qū)溢出
修改字符串n次就需要進行n次內(nèi)存分配修改字符串長度n次,最多需要n次內(nèi)存分配
只能保存文本數(shù)據(jù)可以保存文本數(shù)據(jù)或者二進制數(shù)據(jù)
可以使用所有<string.h>庫中的函數(shù)可以使用一部分<string.h>庫中的函數(shù)

總結(jié)

以上為個人經(jīng)驗,希望能給大家一個參考,也希望大家多多支持腳本之家。

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