【Redis面試題】Redis的字串是怎麼實現的？

小小木發表於2019-04-07
Redis面試題字串

年前本人在找工作面試時在Redis相關問題上可栽了跟斗。在面試前按常規套路準備了一下，比如 Redis 的常用5種資料結構，Redis持久化策略，Redis實現分散式鎖，簡單釋出訂閱等等都準備了，當時不知天高地厚以為十拿九穩了，可是萬萬沒想到我終究還是在Redis的被問的第一個問題上翻船了～～

面試官 ：看你簡歷上寫了熟悉常用資料結構，都有哪些說說
本人 ：常用有5種，string,list,set,zset,hash（內心很得意）

面試官 ：那你說說都用過哪些資料結構
本人 ：用的最多的是string，通常會把json字串存進去

面試官 ：那你知道Redis內部是怎麼實現它的string的麼？
本人 ：呃～，我瞭解Redis是用C語言寫的，至於具體實現就不清楚了～

到此一面卒～～～
有相同經歷的朋友麼？

回去後惡補了一下Redis有關原理性的知識點，恰好最近在最總結面試經歷於是有了今天這篇文章。

本篇會講一下內容：

  • Redis字串的實現
  • Redis字串的效能優勢

Redis字串的實現

Redis雖然是用C語言寫的，但卻沒有直接用C語言的字串，而是自己實現了一套字串。目的就是為了提升速度，提升效能，可以看出Redis為了高效能也是煞費苦心。

Redis構建了一個叫做簡單動態字串（Simple Dynamic String），簡稱SDS

1.SDS 程式碼結構

struct sdshdr{
    //  記錄已使用長度
    int len;
    // 記錄空閒未使用的長度
    int free;
    // 字元陣列
    char[] buf;
};
複製程式碼

SDS ？什麼鬼？可能對此陌生的朋友對這個名稱有疑惑。只是個名次2而已不必在意，我們要重點欣賞借鑑Redis的設計思路。 下面畫個圖來說明，一目瞭然。

【Redis面試題】Redis的字串是怎麼實現的？

Redis的字串也會遵守C語言的字串的實現規則，即最後一個字元為空字元。然而這個空字元不會被計算在len裡頭。

2.SDS 動態擴充套件特點

SDS的最厲害最奇妙之處在於它的Dynamic。動態變化長度。舉個例子

【Redis面試題】Redis的字串是怎麼實現的？
如上圖所示剛開始s1 只有5個空閒位子，後面需要追加' world' 6個字元，很明顯是不夠的。那咋辦？Redis會做一下三個操作：

  • 1.計算出大小是否足夠
  • 2.開闢空間至滿足所需大小
  • 3.開闢與已使用大小len相同長度的空閒free空間（如果len < 1M）開闢1M長度的空閒free空間（如果len >= 1M）

看到這兒為止有沒有朋友覺得這個實現跟Java的列表List實現有點類似呢？看完後面的會覺得更像了。

Redis字串的效能優勢

  • 快速獲取字串長度
  • 避免緩衝區溢位
  • 降低空間分配次數提升記憶體使用效率

1.快速獲取字串長度

在看下上面的SDS結構體：

struct sdshdr{
    //  記錄已使用長度
    int len;
    // 記錄空閒未使用的長度
    int free;
    // 字元陣列
    char[] buf;
};
複製程式碼

由於在SDS裡存了已使用字元長度len，所以當想獲取字串長度時直接返回len即可，時間複雜度為O(1)。如果使用C語言的字串的話它的字串長度獲取函式時間複雜度為O(n),n為字元個數，因為他是從頭到尾（到空字元'\0'）遍歷相加。

2.避免緩衝區溢位

對一個C語言字串進行strcat追加字串的時候需要提前開闢需要的空間，如果不開闢空間的話可能會造成緩衝區溢位，而影響程式其他程式碼。如下圖，有一個字串s1="hello" 和 字串s2="baby",現在要執行strcat(s1,"world"),並且執行前未給s1開闢空間，所以造成了緩衝區溢位。

【Redis面試題】Redis的字串是怎麼實現的？
而對於Redis而言由於每次追加字串時都會檢查空間是否夠用，所以不會存在緩衝區溢位問題。每次追加操作前都會做如下操作：

  • 1.計算出大小是否足夠
  • 2.開闢空間至滿足所需大小

3.降低空間分配次數提升記憶體使用效率

字串的追加操作會涉及到記憶體分配問題，然而記憶體分配問題會牽扯記憶體劃分演算法以及系統呼叫所以如果頻繁發生的話影響效能，所以對於效能至上的Redis來說這是萬萬不能忍受的。所以採取了一下兩種優化措施

  • 空間與分配
  • 惰性空間回收

1. 空間預分配

對於追加操作來說，Redis不僅會開闢空間至夠用而且還會預分配未使用的空間(free)來用於下一次操作。至於未使用的空間(free)的大小則由修改後的字串長度決定。

當修改後的字串長度len < 1M,則會分配與len相同長度的未使用的空間(free) 當修改後的字串長度len >= 1M,則會分配1M長度的未使用的空間(free)

有了這個預分配策略之後會減少記憶體分配次數，因為分配之前會檢查已有的free空間是否夠，如果夠則不開闢了～

2. 惰性空間回收

與上面情況相反，惰性空間回收適用於字串縮減操作。比如有個字串s1="hello world"，對s1進行sdstrim(s1," world")操作，執行完該操作之後Redis不會立即回收減少的部分，而是會分配給下一個需要記憶體的程式。當然，Redis也提供了回收記憶體的api,可以自己手動呼叫來回收縮減部分的記憶體。

到此為止結束了～ 下次在遇到這個問題可以侃侃而談了，哈哈哈?

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