Redis源码分析-压缩列表ziplist

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// 文中引用的代码来源于Redis3.2

前言

Redis是基于内存的nosql,有些场景下为了节省内存redis会用“时间”换“空间”。
ziplist就是很典型的例子。

介绍

ziplist是list键、hash键以及zset键的底层实现之一(3.0之后list键已经不直接用ziplist和linkedlist作为底层实现了,取而代之的是quicklist
这些键的常规底层实现如下:

  • list键:双向链表
  • hash键:字典dict
  • zset键:跳跃表zskiplist

但是当list键里包含的元素较少、并且每个元素要么是小整数要么是长度较小的字符串时,redis将会用ziplist作为list键的底层实现。同理hash和zset在这种场景下也会使用ziplist。

既然已有底层结构可以实现list、hash、zset键,为什么还要用ziplist呢?
当然是为了节省内存空间
我们先来看看ziplist是如何压缩的

原理

整体布局

ziplist是由一系列特殊编码的连续内存块组成的顺序存储结构,类似于数组,ziplist在内存中是连续存储的,但是不同于数组,为了节省内存 ziplist的每个元素所占的内存大小可以不同(数组中叫元素,ziplist叫节点entry,下文都用“节点”),每个节点可以用来存储一个整数或者一个字符串。
下图是ziplist在内存中的布局

图1 整体布局

  • zlbytes: ziplist的长度(单位: 字节),是一个32位无符号整数
  • zltail: ziplist最后一个节点的偏移量,反向遍历ziplist或者pop尾部节点的时候有用。
  • zllen: ziplist的节点(entry)个数
  • entry: 节点
  • zlend: 值为0xFF,用于标记ziplist的结尾

普通数组的遍历是根据数组里存储的数据类型 找到下一个元素的,例如int类型的数组访问下一个元素时每次只需要移动一个sizeof(int)就行(实际上开发者只需让指针p+1就行,在这里引入sizeof(int)只是为了说明区别)。
上文说了,ziplist的每个节点的长度是可以不一样的,而我们面对不同长度的节点又不可能直接sizeof(entry),那么它是怎么访问下一个节点呢?
ziplist将一些必要的偏移量信息记录在了每一个节点里,使之能跳到上一个节点或下一个节点。
接下来我们看看节点的布局

节点的布局(entry)

每个节点由三部分组成:prevlength、encoding、data

  • prevlengh: 记录上一个节点的长度,为了方便反向遍历ziplist
  • encoding: 当前节点的编码规则,下文会详细说
  • data: 当前节点的值,可以是数字或字符串

为了节省内存,根据上一个节点的长度prevlength 可以将ziplist节点分为两类:
图2 entry布局

  • entry的前8位小于254,则这8位就表示上一个节点的长度
  • entry的前8位等于254,则意味着上一个节点的长度无法用8位表示,后面32位才是真实的prevlength。用254 不用255(11111111)作为分界是因为255是zlend的值,它用于判断ziplist是否到达尾部。

根据当前节点存储的数据类型及长度,可以将ziplist节点分为9类
其中整数节点分为6类:
图3 整数节点encoding部分
整数节点的encoding的长度为8位,其中高2位用来区分整数节点和字符串节点(高2位为11时是整数节点),低6位用来区分整数节点的类型,定义如下:

#define ZIP_INT_16B (0xc0 | 0<<4)//整数data,占16位(2字节)
#define ZIP_INT_32B (0xc0 | 1<<4)//整数data,占32位(4字节)
#define ZIP_INT_64B (0xc0 | 2<<4)//整数data,占64位(8字节)
#define ZIP_INT_24B (0xc0 | 3<<4)//整数data,占24位(3字节)
#define ZIP_INT_8B 0xfe //整数data,占8位(1字节)
/* 4 bit integer immediate encoding */
//整数值1~13的节点没有data,encoding的低四位用来表示data
#define ZIP_INT_IMM_MASK 0x0f
#define ZIP_INT_IMM_MIN 0xf1    /* 11110001 */
#define ZIP_INT_IMM_MAX 0xfd    /* 11111101 */

值得注意的是 最后一种encoding是存储整数0~12的节点的encoding,它没有额外的data部分,encoding的高4位表示这个类型,低4位就是它的data。这种类型的节点的encoding大小介于ZIP_INT_24B与ZIP_INT_8B之间(1~13),但是为了表示整数0,取出低四位xxxx之后会将其-1作为实际的data值(0~12)。在函数zipLoadInteger中,我们可以看到这种类型节点的取值方法:

...
 } else if (encoding >= ZIP_INT_IMM_MIN && encoding <= ZIP_INT_IMM_MAX) {
        ret = (encoding & ZIP_INT_IMM_MASK)-1;
 }
...

字符串节点分为3类:

图4 字符串节点encoding部分

  • 当data小于63字节时(2^6),节点存为上图的第一种类型,高2位为00,低6位表示data的长度。
  • 当data小于16383字节时(2^14),节点存为上图的第二种类型,高2位为01,后续14位表示data的长度。
  • 当data小于4294967296字节时(2^32),节点存为上图的第二种类型,高2位为10,下一字节起连续32位表示data的长度。

上图可以看出:
不同于整数节点encoding永远是8位,字符串节点的encoding可以有8位、16位、40位三种长度
相同encoding类型的整数节点 data长度是固定的,但是相同encoding类型的字符串节点,data长度取决于encoding后半部分的值。

#define ZIP_STR_06B (0 << 6)//字符串data,最多有2^6字节(encoding后半部分的length有6位,length决定data有多少字节)
#define ZIP_STR_14B (1 << 6)//字符串data,最多有2^14字节
#define ZIP_STR_32B (2 << 6)//字符串data,最多有2^32字节

上文介绍了ziplist节点(entry)的分类,知道了节点可以细分为9种类型,那么当遍历一个ziplist时,指针到达某个节点时 如何判断出节点的类型从而找到data呢?

已知节点的位置,求data的值

根据图2 entry布局 可以看出,若要算出data的偏移量,得先计算出prevlength所占内存大小(1字节和5字节):

//根据ptr指向的entry,返回这个entry的prevlensize
#define ZIP_DECODE_PREVLENSIZE(ptr, prevlensize) do {                          \
    if ((ptr)[0] < ZIP_BIGLEN) {                                               \
        (prevlensize) = 1;                                                     \
    } else {                                                                   \
        (prevlensize) = 5;                                                     \
    }                                                                          \
} while(0);

接着再用ZIP_DECODE_LENGTH(ptr + prevlensize, encoding, lensize, len)算出encoding所占的字节,返回给lensize;data所占的字节返回给len

//根据ptr指向的entry求出该entry的len(encoding里存的 data所占字节)和lensize(encoding所占的字节)
#define ZIP_DECODE_LENGTH(ptr, encoding, lensize, len) do {                    \
    ZIP_ENTRY_ENCODING((ptr), (encoding));                                     \
    if ((encoding) < ZIP_STR_MASK) {                                           \
        if ((encoding) == ZIP_STR_06B) {                                       \
            (lensize) = 1;                                                     \
            (len) = (ptr)[0] & 0x3f;                                           \
        } else if ((encoding) == ZIP_STR_14B) {                                \
            (lensize) = 2;                                                     \
            (len) = (((ptr)[0] & 0x3f) << 8) | (ptr)[1];                       \
        } else if (encoding == ZIP_STR_32B) {                                  \
            (lensize) = 5;                                                     \
            (len) = ((ptr)[1] << 24) |                                         \
                    ((ptr)[2] << 16) |                                         \
                    ((ptr)[3] <<  8) |                                         \
                    ((ptr)[4]);                                                \
        } else {                                                               \
            assert(NULL);                                                      \
        }                                                                      \
    } else {                                                                   \
        (lensize) = 1;                                                         \
        (len) = zipIntSize(encoding);                                          \
    }                                                                          \
} while(0);

//将ptr的encoding解析成1个字节:00000000、01000000、10000000(字符串类型)和11??????(整数类型)
//如果是整数类型,encoding直接照抄ptr的;如果是字符串类型,encoding被截断成一个字节并清零后6位
#define ZIP_ENTRY_ENCODING(ptr, encoding) do {  \
    (encoding) = (ptr[0]); \
    if ((encoding) < ZIP_STR_MASK) (encoding) &= ZIP_STR_MASK; \
} while(0)

//根据encoding返回数据(整数)所占字节数
unsigned int zipIntSize(unsigned char encoding) {
    switch(encoding) {
    case ZIP_INT_8B:  return 1;
    case ZIP_INT_16B: return 2;
    case ZIP_INT_24B: return 3;
    case ZIP_INT_32B: return 4;
    case ZIP_INT_64B: return 8;
    default: return 0; /* 4 bit immediate */
    }
    assert(NULL);
    return 0;
}

完成以上步骤之后,即可算出data的位置:ptr+prevlensize+lensize,以及data的长度len

ziplist接口

上文已经阐述了ziplist的底层内存布局,接下来看看一些基本的增删改查操作在ziplist中是如何执行的。

ziplistNew 创建一个ziplist O(1)

/* Create a new empty ziplist. */
unsigned char *ziplistNew(void) {
    unsigned int bytes = ZIPLIST_HEADER_SIZE+1;//<zlbytes>4字节<zltail>4字节<zllen>2字节<zlend>1字节,没有entry节点
    unsigned char *zl = zmalloc(bytes);
    ZIPLIST_BYTES(zl) = intrev32ifbe(bytes);//<zlbytes>赋值
    ZIPLIST_TAIL_OFFSET(zl) = intrev32ifbe(ZIPLIST_HEADER_SIZE);//<zltail>
    ZIPLIST_LENGTH(zl) = 0;//<zllen>
    zl[bytes-1] = ZIP_END;//<zlend>
    return zl;
}
#define ZIPLIST_HEADER_SIZE     (sizeof(uint32_t)*2+sizeof(uint16_t))//空ziplist除了<zlend>的大小
#define ZIPLIST_BYTES(zl)       (*((uint32_t*)(zl)))//<zlbyte>的指针的值,可读可写
#define ZIPLIST_TAIL_OFFSET(zl) (*((uint32_t*)((zl)+sizeof(uint32_t))))//<zltail>的指针的值
#define ZIPLIST_HEADER_SIZE     (sizeof(uint32_t)*2+sizeof(uint16_t))//空ziplist除了<zlend>的大小
#define ZIPLIST_LENGTH(zl)      (*((uint16_t*)((zl)+sizeof(uint32_t)*2)))//<zllen>的指针的值

参照着图1理解会直观些,分配了一块内存并初始化<zlbytes><zltail><zllen><zlend>,没有entry。

ziplistFind 从ziplist里找出一个entry O(n)

//返回p节点之后data与vstr(长度是vlen)相等的节点,只找p节点之后每隔skip的节点
//时间复杂度 O(n)
unsigned char *ziplistFind(unsigned char *p, unsigned char *vstr, unsigned int vlen, unsigned int skip) {
    int skipcnt = 0;
    unsigned char vencoding = 0;
    long long vll = 0;

    while (p[0] != ZIP_END) {
        unsigned int prevlensize, encoding, lensize, len;
        unsigned char *q;

        ZIP_DECODE_PREVLENSIZE(p, prevlensize);
        ZIP_DECODE_LENGTH(p + prevlensize, encoding, lensize, len);
        q = p + prevlensize + lensize;//当前节点的data

        if (skipcnt == 0) {
            /* Compare current entry with specified entry */
            if (ZIP_IS_STR(encoding)) {//判断当前节点是不是字符串节点
                if (len == vlen && memcmp(q, vstr, vlen) == 0) {
                    return p;
                }
            } else {
                /* Find out if the searched field can be encoded. Note that
                 * we do it only the first time, once done vencoding is set
                 * to non-zero and vll is set to the integer value. */
                if (vencoding == 0) {//这个代码块只会执行一次,计算vstr的整数表示
                    if (!zipTryEncoding(vstr, vlen, &vll, &vencoding)) {
                        //将参数给的节点vstr当做整数节点转换;将data值返回给vll,节点编码返回给vencoding
                        //进入这个代码块说明将vstr转换成整数失败,vencoding不变,下次判断当前节点是整数节点之后可以跳过这个节点
                        /* If the entry can't be encoded we set it to
                         * UCHAR_MAX so that we don't retry again the next
                         * time. */
                        vencoding = UCHAR_MAX;//当前节点是整数节点,但是vstr是字符串节点,跳过不用比较了
                    }
                    /* Must be non-zero by now */
                    assert(vencoding);
                }

                /* Compare current entry with specified entry, do it only
                 * if vencoding != UCHAR_MAX because if there is no encoding
                 * possible for the field it can't be a valid integer. */
                if (vencoding != UCHAR_MAX) {
                    long long ll = zipLoadInteger(q, encoding);//算出当前节点的data
                    if (ll == vll) {
                        return p;
                    }
                }
            }

            /* Reset skip count */
            skipcnt = skip;
        } else {
            /* Skip entry */
            skipcnt--;
        }

        /* Move to next entry */
        p = q + len;
    }

    return NULL;
}

//尝试将entry地址的内容转换成整数,并根据这个整数算出一个合适的encoding返回给encoding参数。
//若无法转换成整数,则encoding不变,返回0,等到下次调用zipEncodeLength时再计算一个该字符串的encoding
int zipTryEncoding(unsigned char *entry, unsigned int entrylen, long long *v, unsigned char *encoding) {
    long long value;

    if (entrylen >= 32 || entrylen == 0) return 0;
    if (string2ll((char*)entry,entrylen,&value)) {
        /* Great, the string can be encoded. Check what's the smallest
         * of our encoding types that can hold this value. */
        if (value >= 0 && value <= 12) {
            *encoding = ZIP_INT_IMM_MIN+value;
        } else if (value >= INT8_MIN && value <= INT8_MAX) {
            *encoding = ZIP_INT_8B;
        } else if (value >= INT16_MIN && value <= INT16_MAX) {
            *encoding = ZIP_INT_16B;
        } else if (value >= INT24_MIN && value <= INT24_MAX) {
            *encoding = ZIP_INT_24B;
        } else if (value >= INT32_MIN && value <= INT32_MAX) {
            *encoding = ZIP_INT_32B;
        } else {
            *encoding = ZIP_INT_64B;
        }
        *v = value;
        return 1;
    }
    return 0;
}

/* Read integer encoded as 'encoding' from 'p' */
int64_t zipLoadInteger(unsigned char *p, unsigned char encoding) {
    int16_t i16;
    int32_t i32;
    int64_t i64, ret = 0;
    if (encoding == ZIP_INT_8B) {
        ret = ((int8_t*)p)[0];
    } else if (encoding == ZIP_INT_16B) {
        memcpy(&i16,p,sizeof(i16));
        memrev16ifbe(&i16);
        ret = i16;
    } else if (encoding == ZIP_INT_32B) {
        memcpy(&i32,p,sizeof(i32));
        memrev32ifbe(&i32);
        ret = i32;
    } else if (encoding == ZIP_INT_24B) {
        i32 = 0;
        memcpy(((uint8_t*)&i32)+1,p,sizeof(i32)-sizeof(uint8_t));
        memrev32ifbe(&i32);
        ret = i32>>8;
    } else if (encoding == ZIP_INT_64B) {
        memcpy(&i64,p,sizeof(i64));
        memrev64ifbe(&i64);
        ret = i64;
    } else if (encoding >= ZIP_INT_IMM_MIN && encoding <= ZIP_INT_IMM_MAX) {
        ret = (encoding & ZIP_INT_IMM_MASK)-1;
    } else {
        assert(NULL);
    }
    return ret;
}

其他接口

  • ziplistInsert 往ziplist里插入一个entry 时间复杂度 平均:O(n), 最坏:O(n²)
  • ziplistDelete 从siplist里删除一个entry 时间复杂度 平均:O(n), 最坏:O(n²)

为什么插入节点和删除节点两个接口的最坏时间复杂度会是O(n²)呢?这是由于ziplist的“连锁更新”导致的,连锁更新在最坏情况下需要对ziplist执行n次空间重分配操作,而且每次空间重分配的最坏时间复杂度为O(n) ----《Redis设计与实现》
但是出现“连锁更新”的情况并不多见,所以这里基本不会造成性能问题。
篇幅有限这里不能细说连锁更新,感兴趣可以阅读《Redis设计与实现》的相关章节以及ziplist.c里的__ziplistCascadeUpdate()函数。

总结

  • ziplist是为节省内存空间而生的。
  • ziplist是一个为Redis专门提供的底层数据结构之一,本身可以有序也可以无序。当作为listhash的底层实现时,节点之间没有顺序;当作为zset的底层实现时,节点之间会按照大小顺序排列。

本文来自:Segmentfault

感谢作者:llinvokerl

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