Redis 字符串类型内部编码剖析

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概述

我们平时用 Redis 都是处于用户层面，我们可能会不加思索地操作一个 key-value 对来方便地存取数据，感觉方便之至。但你知道这些数据在背后是如何存储以及编码的吗？了解清楚了这个问题，将对我们更加高效地使用 Redis 具有指导意义。本文开始我们将结合 Redis 源码来逐个探讨 Redis 五大数据类型的内部编码机制。

实验环境：Redis 4.0.10

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CodeSheep · 程序羊

Redis 数据类型内部编码概况

对于 Redis 的常用 5 种数据类型（ String、Hash、List、Set、sorted set ），每种数据类型都提供了 最少两种 内部的编码格式，而且每个数据类型内部编码方式的选择 对用户是完全透明的，Redis 会根据数据量自适应地选择较优化的内部编码格式。

如果想查看某个键的内部编码格式，可以使用 OBJECT ENCODING keyname 指令来进行，比如：

127.0.0.1:6379> 
127.0.0.1:6379> set foo bar
OK
127.0.0.1:6379> 
127.0.0.1:6379> object encoding foo  // 查看某个 Redis 键值的编码
"embstr"
127.0.0.1:6379> 
127.0.0.1:6379>

Redis 的每个键值内部都是使用一个名字叫做 redisObject 这个 C 语言结构体保存的，其代码如下：

redisObject 结构体

解释如下：

type：表示键值的数据类型，包括 String、List、Set、ZSet、Hash
encoding：表示键值的内部编码方式，从 Redis 源码看目前取值有如下几种：

#define OBJ_ENCODING_RAW 0        /* Raw representation */
#define OBJ_ENCODING_INT 1        /* Encoded as integer */
#define OBJ_ENCODING_HT 2         /* Encoded as hash table */
#define OBJ_ENCODING_ZIPMAP 3     /* Encoded as zipmap */
#define OBJ_ENCODING_LINKEDLIST 4 /* No longer used: old list encoding. */
#define OBJ_ENCODING_ZIPLIST 5    /* Encoded as ziplist */
#define OBJ_ENCODING_INTSET 6     /* Encoded as intset */
#define OBJ_ENCODING_SKIPLIST 7   /* Encoded as skiplist */
#define OBJ_ENCODING_EMBSTR 8     /* Embedded sds string encoding */
#define OBJ_ENCODING_QUICKLIST 9  /* Encoded as linked list of ziplists */

refcount：表示该键值被引用的数量，即一个键值可被多个键引用

本文我们就从 Redis 最基本的 String 类型的内部编码开始探讨！

String 类型的内部编码情况

字符串是 Redis 最基本的数据类型，Redis 中字符串对象的编码可以是 int，raw 或者 embstr 中的某一种，分别介绍如下：

int 编码：保存 long 型的 64 位有符号整数
embstr 编码：保存长度小于 44 字节的字符串
raw 编码：保存长度大于 44 字节的字符串

我们不妨来做个实验实际看一下：

String 的各种内部编码格式

实际情况就是 Redis 内部会根据用户给的不同键值而使用不同的编码格式，而这一切对用户完全透明!

Redis 是使用 SDS（“简单动态字符串”）这个结构体来存储字符串，代码里定义了 5 种 SDS 结构体：

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[];
};

可以看出，除了结构体字段数据类型的不同，其字段含义相差无几，其中：

len：字符串的长度（实际使用的长度）
alloc：分配内存的大小
flags：标志位，低三位表示类型，其余五位未使用
buf：字符数组

了解了这些基本的数据结构以后，我们就来看看上面例子中：

set foo 123
set foo abc
set foo abcdefghijklmnopqrstuvwxyzabcdeffasdffsdaadsx

这三种情形下 Redis 内部到底是怎么存数据的！

INT 编码格式

命令示例： set foo 123

当字符串键值的内容可以用一个 64 位有符号整形 来表示时，Redis 会将键值转化为 long 型来进行存储，此时即对应 OBJ_ENCODING_INT 编码类型。

OBJ_ENCODING_INT 编码类型内部的内存结构可以形象地表示如下：

set foo 123 时键值的内存结构

而且 Redis 启动时会预先建立 10000 个分别存储 0~9999 的 redisObject 变量作为共享对象，这就意味着如果 set 字符串的键值在 0~10000 之间的话，则可以 直接指向共享对象 而不需要再建立新对象，此时键值不占空间！

因此，当执行如下指令时：

set key1 100
set key2 100

其实 key1 和 key2 这两个键值都直接引用了一个 Redis 预先已建立好的共享 redisObject 对象，就像下面这样：

共享对象

源码之前，了无秘密，我们再对照下面的源码，来理解一下上述过程

INT 编码的源码

EMBSTR 编码格式

命令示例： set foo abc

Redis 在保存长度小于 44 字节的字符串时会采用 OBJ_ENCODING_EMBSTR 编码方式，口说无凭，我们来瞅瞅源码：

EMBSTR 编码的判断条件

从上述代码中很容易看出，对于长度小于 44 的字符串，Redis 对键值采用OBJ_ENCODING_EMBSTR 方式，EMBSTR 顾名思义即：embedded string，表示嵌入式的 String。从内存结构上来讲即字符串 sds 结构体与其对应的 redisObject 对象分配在 同一块连续的内存空间，这就仿佛字符串 sds 嵌入在 redisObject 对象之中一样，这一切从下面的代码即可清楚地看到：

embedded string

因此，对于指令 set foo abc 所设置的键值，其内存结构示意图如下：

set foo abc 时的键值内存结构

RAW 编码格式

指令示例： set foo abcdefghijklmnopqrstuvwxyzabcdeffasdffsdaadsx

正如指令示例，当字符串的键值为长度大于 44 的 超长字符串 时，Redis 则会将键值的内部编码方式改为 OBJ_ENCODING_RAW 格式，这与上面的 OBJ_ENCODING_EMBSTR 编码方式的不同之处在于此时动态字符串 sds 的内存与其依赖的 redisObject 的 内存不再连续 了，以 set foo abcdefghijklmnopqrstuvwxyzabcdeffasdffsdaadsx 为例，其键值的内存结构如下所示：

set foo abcdefghijklmnopqrstuvwxyzabcdeffasdffsdaadsx 时键值的内存结构