深入理解Redis结构底层实现（redis结构底层实现）

深入理解Redis：结构底层实现

Redis是一种非常流行的开源内存数据结构存储系统。作为一个高性能的键值存储数据库，Redis提供了丰富的数据结构，如字符串、哈希表、列表、集合、有序集合等。在Redis内部，这些数据结构是以特定的方式实现的，这种实现方式能够最大限度地提高Redis的性能、可靠性和可伸缩性。

在本文中，我们将深入了解Redis的结构底层实现，包括Redis的数据结构、存储方式、内存管理等方面。我们还将介绍一些Redis的代码，以便更好地理解Redis的工作原理。

Redis的数据结构

Redis的数据结构主要分为5类，分别是字符串、哈希表、列表、集合、有序集合。Redis并不使用传统的关系型数据库中的表和行来组织数据，而是采用了一种键值对（key-value）的形式。每个键都对应一个值，这种架构使得Redis可以快速地访问和操作数据，以及支持分布式模式。

下面是Redis中常见的数据结构的介绍：

1. 字符串

在Redis中，字符串是最基本也是最简单的数据结构。它可以存储任意类型的信息，如数字、字母、文本、图像等等。字符串的存储大小是固定的，不会随着字符串的长度变化而变化。在内存中，字符串的存储方式是一个指向字符数组的指针。

以下是Redis的字符串数据结构的定义：

typedef struct sdshdr {
    int len;
    int free;
    char buf[];
} sdshdr;

其中，`len`表示字符串的长度，`free`表示字符串中未使用的空间的大小，`buf`是指向字符数组的指针。

2. 哈希表

哈希表是一种键值对形式的数据结构，其中的键和值都可以是任意类型的数据。哈希表的查找效率非常高，因为它可以通过哈希函数来快速找到指定的键值对。在Redis中，哈希表使用字典（dict）来实现。

以下是Redis的字典数据结构的定义：

typedef struct dict {
    dictType *type;
    void *privdata;
    dictht ht[2];
    int rehashidx;
} dict;

其中，`type`是指向`dictType`结构体的指针，`privdata`是指向私有数据的指针，`ht`是一个包含2个哈希表的数组，`rehashidx`表示正在进行rehash操作的索引。

3. 列表

列表是一种有序的序列，可以在序列的任意位置添加、删除和获取元素。在Redis中，列表的底层实现采用了双向链表和压缩双向链表这两种数据结构。双向链表可以快速地在任意位置插入和删除元素，而压缩双向链表则可以在一定程度上减少内存的使用。

以下是Redis的双向链表和压缩双向链表的定义：

typedef struct listNode {
    struct listNode *prev;
    struct listNode *next;
    void *value;
} listNode;
typedef struct list {
    listNode *head;
    listNode *tl;
    void *(*dup)(void *ptr);
    void (*free)(void *ptr);
    int (*match)(void *ptr, void *key);
    unsigned long len;
} list;

其中，`listNode`是双向链表中的一个节点，包含了一个指向前一个节点和后一个节点的指针，以及一个指向值的指针；`list`是双向链表的头和尾节点，以及一些操作函数和列表长度。

4. 集合

集合是一种无序的数据结构，其中的元素不重复且没有顺序。在Redis中，集合的底层实现也采用了哈希表的方式。

以下是Redis的集合数据结构的定义：

typedef struct dict dict;
typedef struct set {
    dict *dict;
} set;

其中，`dict`是一个字典，用来存储集合中的元素。

5. 有序集合

有序集合是一种类似于集合的数据结构，但是每个元素都会有一个分数（score）来进行排序。在Redis中，有序集合也采用了字典和跳跃表的方式来实现，其中字典用来存储元素和分数的映射关系，跳跃表则用来进行排序。

以下是Redis的有序集合数据结构的定义：

typedef struct zskiplistNode {
    struct zskiplistNode *backward;
    double score;
    robj *obj;
    struct zskiplistLevel {
        struct zskiplistNode *forward;
        unsigned int span;
    } level[];
} zskiplistNode;
typedef struct zskiplist {
    struct zskiplistNode *header, *tl;
    unsigned long length;
    int level;
} zskiplist;

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

其中，`zskiplistNode`是跳跃表中的一个节点，包含了一个向后指针、一个分数、一个指向元素的指针，以及一些用来进行排序的级别；`zskiplist`是跳跃表的头和尾节点，以及跳跃表的长度和级别；`zset`是一个字典和一个跳跃表。

Redis的存储方式

Redis的数据存储分为两种：内存存储和磁盘存储。因为Redis是一种内存数据库，所以它的所有数据都存储在内存中。为了防止数据丢失，Redis还可以将内存中的数据写入磁盘文件中，这样即使系统崩溃，数据也可以尽可能地得到保护。

以下是Redis的内存和磁盘存储的实现方式：

1. 内存存储

Redis使用了一种叫做jemalloc的内存管理器来管理内存。jemalloc是一种高效的、线程安全的内存管理工具，能够最大限度地减少内存碎片、提高内存利用率和减少内存泄漏。

在Redis中，每个数据结构都是一个对象，每个对象都会占用一定的内存空间。当Redis需要创建新的对象时，会先从内存池中获取一块足够大的内存空间，然后将对象存储在这个内存空间中。如果Redis需要释放某个对象的内存空间，那么这个空间就会被放回到内存池中，以便下次再使用。

以下是Redis内存池和对象的定义：

typedef struct redisObject {
    unsigned type:4;
    unsigned encoding:4;
    unsigned lru:LRU_BITS;
    int refcount;
    void *ptr;
} robj;
typedef struct redisDb {
    dict *dict;
} redisDb;

typedef struct redisServer {
    pid_t pid;
    redisDb *db;
    void *net;
} redisServer;

其中，`robj`是Redis的对象，包含了对象的类型、编码方式、LRU时间、引用计数和指向对象的指针；`redisDb`是Redis的数据库，使用了字典来存储键值对；`redisServer`是Redis的服务端，包含了进程ID、数据库和网络相关的信息。

2. 磁盘存储

为了将内存中的数据保存到磁盘上，Redis使用了一种叫做“快