Redis压缩列表的设计与实现

压缩列表（Ziplist）其应用场景主要包括以下几个方面：

1. 哈希表（Hash）

在 Redis 中，当哈希表（Hash）的键值对数量较少且每个键和值的长度较短时，Redis 会使用压缩列表作为哈希表的底层实现。这种方式可以大幅度减少内存开销，提高存储效率。

使用条件

• 键值对数量较少（默认不超过 512 个，可以通过配置参数 hash-max-ziplist-entries 调整）。
• 每个键和值的字符串长度较短（默认不超过 64 字节，可以通过配置参数 hash-max-ziplist-value 调整）。

2. 列表（List）

当 Redis 列表中的元素数量较少且每个元素的长度较短时，压缩列表会被用作列表的底层实现，以节省内存。

使用条件

• 列表的元素数量较少（默认不超过 512 个，可以通过配置参数 list-max-ziplist-entries 调整）。
• 每个元素的字符串长度较短（默认不超过 64 字节，可以通过配置参数 list-max-ziplist-value 调整）。

3. 有序集合（Sorted Set）

在有序集合中，当成员数量较少且成员和分数的长度较短时，压缩列表会被用作有序集合的底层实现之一，以提高存储效率。

使用条件

• 成员数量较少（默认不超过 128 个，可以通过配置参数 zset-max-ziplist-entries 调整）。
• 每个成员和分数的字符串长度较短（默认不超过 64 字节，可以通过配置参数 zset-max-ziplist-value 调整）。

优点与缺点

优点：

• 高效内存利用：通过紧凑的存储结构，大幅减少内存占用。
• 适合小数据量：在存储小规模数据时，能够提供良好的性能和内存效率。

缺点：

• 操作代价较高：由于压缩列表是连续存储结构，插入和删除操作可能需要移动大量数据，性能相对较低。
• 不适合大数据量：压缩列表更适合小规模的数据存储，当数据量变大时，操作效率会显著下降。

示例及实际应用

假设我们有一个包含用户属性的哈希表结构，并且用户属性数量较少，属性值也较短，这样的哈希表会被存储为压缩列表：

# 创建一个包含用户属性的哈希表
HSET user:1000 name "Alice"
HSET user:1000 age "30"
HSET user:1000 city "New York"

# 获取用户属性
HGETALL user:1000
# 返回 ["name", "Alice", "age", "30", "city", "New York"]

当满足压缩列表的使用条件时，上述哈希表将以压缩列表的形式存储，从而节省内存开销。

同样地，对于一个短列表和一个小规模有序集合，它们也可以被存储为压缩列表：

# 创建一个短列表
LPUSH mylist "element1"
LPUSH mylist "element2"
LPUSH mylist "element3"

# 获取列表所有元素
LRANGE mylist 0 -1
# 返回 ["element3", "element2", "element1"]

# 创建一个小规模有序集合
ZADD myzset 1 "member1"
ZADD myzset 2 "member2"
ZADD myzset 3 "member3"

# 获取有序集合所有成员
ZRANGE myzset 0 -1 WITHSCORES
# 返回 ["member1", "1", "member2", "2", "member3", "3"]

底层实现

1. 整体结构

压缩列表由一系列按顺序排列的节点组成，每个节点可以存储一个整数或一个字节数组。所有数据都存储在连续的内存块中。整体结构如下：

• zlbytes：4 字节，记录整个压缩列表占用的内存字节数。
• zltail：4 字节，指向压缩列表尾部节点的偏移量，便于快速定位最后一个节点。
• zllen：2 字节，记录压缩列表中的节点数量。如果超过 65535，则需要遍历整个列表来计算节点数量。
• entryX：一个或多个节点，每个节点存储一个实际数据。
• zlend：1 字节，特殊标志符，值固定为 0xFF，标记压缩列表的结束。

2. 节点结构

每个节点由以下部分组成：

• previous_entry_length：存储前一个节点的长度，以便支持反向遍历。当前一个节点长度小于 254 字节时，该字段占 1 字节；否则，该字段占 5 字节。
• encoding：编码类型和长度信息，用于标识当前节点的数据类型及其长度。该字段的长度取决于实际编码方式。
• content：实际存储的数据，可以是整数或字节数组。

3. 编码方式

压缩列表支持多种编码方式，根据数据类型和长度选择最合适的编码方式。常见的编码方式包括：

• 字符串编码：

  • 长度小于或等于 63 字节：6 位表示长度
  • 长度小于或等于 16383 字节：14 位表示长度
  • 长度大于 16383 字节：32 位表示长度

• 整数编码：

  • 1 字节整数：表示范围为 [-128, 127]
  • 3 字节整数：表示范围为 [-2^23, 2^23-1]
  • 5 字节整数：表示范围为 [-2^39, 2^39-1]

4. 操作

压缩列表支持多种操作，包括插入、删除、查找等。这些操作通过调整节点结构和更新相关元数据来实现。

插入

插入一个新节点，需要找到插入位置，调整后续节点的 previous_entry_length 字段，并可能触发内存重分配。例如：

unsigned char *ziplistInsert(unsigned char *zl, unsigned char *p, unsigned char *s, unsigned int slen) {
    // step 1: 找到插入位置
    // step 2: 扩展内存以容纳新节点
    // step 3: 调整其他节点的 previous_entry_length 字段
    // step 4: 将新节点写入压缩列表
}

删除

删除一个节点，需要调整前后节点的连接关系，并可能触发内存收缩。例如：

unsigned char *ziplistDelete(unsigned char *zl, unsigned char **p) {
    // step 1: 找到要删除的节点
    // step 2: 释放节点占用的空间
    // step 3: 调整其他节点的 previous_entry_length 字段
    // step 4: 缩减内存
}

查找

遍历压缩列表，查找满足条件的节点。例如：

unsigned char *ziplistFind(unsigned char *zl, unsigned char *s, unsigned int slen, unsigned int skip) {
    // step 1: 遍历压缩列表
    // step 2: 比较节点内容
    // step 3: 返回匹配的节点
}

扩容机制

压缩列表（Ziplist）的主要设计目标之一是节省内存。为了保持数据紧凑存储，压缩列表使用连续的内存块。因此，当需要插入新的数据时，如果现有内存块空间不足，就需要进行扩容操作。

1. 扩容触发条件

当需要在压缩列表中插入新节点，但当前内存空间不足以容纳该新节点时，会触发扩容操作。这是为了确保压缩列表能够继续正常存储新增的数据。

2. 扩容步骤

步骤1：计算新长度

首先，根据当前压缩列表的总长度和新节点的大小，计算出扩容后所需的总长度。

size_t curlen = intrev32ifbe(ZIPLIST_BYTES(zl)); // 当前压缩列表的总长度
size_t reqlen = zipRawEntryLength(p); // 新节点所需的长度
size_t newlen = curlen + reqlen; // 新的总长度

步骤2：分配新内存

根据计算出的新长度，为压缩列表分配一个更大的内存块。这个过程通常使用 zrealloc 函数，该函数不仅会增加所需的最小容量，还会多分配一些额外的空间，以减少频繁的内存重分配操作，从而提高性能。

if (newlen > curlen) {
    zl = zrealloc(zl, newlen); // 分配新的内存块
    ZIPLIST_BYTES(zl) = intrev32ifbe(newlen); // 更新 zlbytes 字段
}

步骤3：复制旧数据

在分配了新的内存块之后，将旧的压缩列表数据复制到新的内存块中。这是由 zrealloc 自动处理的，程序员无需手动干预。

步骤4：更新元数据

扩容后，需要更新压缩列表的元数据字段，包括 zlbytes、zltail 等，以反映新的内存布局。

ZIPLIST_BYTES(zl) = intrev32ifbe(newlen); // 更新 zlbytes
// 如果插入点在尾部，需要更新 zltail
if (tail_pos == curlen) {
    ZIPLIST_TAIL_OFFSET(zl) = intrev32ifbe(new_tail_offset);
}

步骤5：插入新节点

在更新完元数据之后，在适当的位置插入新节点，并调整相关的 previous_entry_length 和其他必要的字段。

unsigned char *ziplistInsert(unsigned char *zl, unsigned char *p, unsigned char *s, unsigned int slen) {
    // ... 前面部分略 ...

    // 插入新节点
    memmove(p + reqlen, p, curlen - (p - zl));
    zipSetEntry(zl, p, s, slen);
    
    // 更新 zlend 标志
    ZIPLIST_END(zl) = 0xFF;
    
    return zl;
}

3. 内存分配策略

Redis 使用 Jemalloc 或者系统默认的内存分配器来进行内存管理。内存扩展时，通常会分配比实际需求更多的内存，以减少未来再次扩容的次数。这种策略称为“缓冲区增长”，可以显著提升性能，避免频繁的内存分配和数据拷贝。

4. 内存收缩

除了扩容，压缩列表还可能进行收缩操作。当删除大量节点或者节点内容缩小时，压缩列表可能会释放不再需要的内存空间。这通常发生在内存非常紧张或者节点删除操作非常频繁的情况下。

收缩示例

假设删除操作导致压缩列表变得非常稀疏，可以通过重新分配较小的内存空间来实现收缩：

unsigned char *ziplistShrink(unsigned char *zl) {
    size_t curlen = intrev32ifbe(ZIPLIST_BYTES(zl));
    size_t newlen = calculateNewLengthAfterDeletion(zl);

    if (newlen < curlen) {
        zl = zrealloc(zl, newlen);
        ZIPLIST_BYTES(zl) = intrev32ifbe(newlen);
    }

    return zl;
}

以上就是Redis压缩列表的设计与实现的详细内容，更多关于Redis压缩列表的资料请关注编程网(www.lsjlt.com)其它相关文章！