图解Redis之数据结构篇——压缩列表

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前言

    同整数集合同样压缩列表也不是基础数据结构，而是 Redis 本身设计的一种数据存储结构。它有点儿相似数组，经过一片连续的内存空间，来存储数据。不过，它跟数组不一样的一点是，它容许存储的数据大小不一样。

1、压缩列表

    听到“压缩”两个字，直观的反应就是节省内存。之因此说这种存储结构节省内存,是相较于数组的存储思路而言的。咱们知道,数组要求每一个元素的大小相同,若是咱们要存储不一样长度的字符串,那咱们就须要用最大长度的字符串大小做为元素的大小(假设是20个字节)。存储小于 20 个字节长度的字符串的时候，便会浪费部分存储空间。

    数组的优点占用一片连续的空间能够很好的利用CPU缓存访问数据。若是咱们想要保留这种优点，又想节省存储空间咱们能够对数组进行压缩。

     可是这样有一个问题，咱们在遍历它的时候因为不知道每一个元素的大小是多少，所以也就没法计算出下一个节点的具体位置。这个时候咱们能够给每一个节点增长一个lenght的属性。

    如此。咱们在遍历节点的以后就知道每一个节点的长度(占用内存的大小)，就能够很容易计算出下一个节点再内存中的位置。这种结构就像一个简单的压缩列表了。

2、Redis压缩列表

    压缩列表(zip1ist)是列表和哈希的底层实现之一。

    当一个列表只包含少许列表项,而且每一个列表项要么就是小整数值,要么就是长度比较短的字符串,那么Redis就会使用压缩列表来作列表的底层实现。

    当一个哈希只包含少许键值对,比且每一个键值对的键和值要么就是小整数值,要么就是长度比较短的字符串,那么Redis就会使用压缩列表来作哈希的底层实现。

2.1 Redis压缩列表的构成

    压缩列表是Redis为了节约内存而开发的,是由一系列特殊编码的连续内存块组成的顺序型(sequential)数据结枃。一个压缩列表能够包含任意多个节点(entry),每一个节点能够保存一个字节数组或者一个整数值，以下图。

示例：

    如上图，展现了一个总长为80字节，包含3个节点的压缩列表。若是咱们有一个指向压缩列表起始地址的指针p，那么表为节点的地址就是P+60。

2.2 Redis压缩列表节点的构成

    每一个压缩列表节点能够保存一个字节数组或者一个整数值。其中，字节数组能够是如下三种长度中的一种。

• 长度小于等于63(2^6-1)字节的字节数组;
• 长度小于等于16383(2^14-1)字节的字节数组
• 长度小于等于4294967295(2^32-1)字节的字节数组

整数值能够是如下6种长度中的一种

• 4位长,介于0至12之间的无符号整数
• 1字节长的有符号整数
• 3字节长的有符号整数
• int16_t类型整数
• int32_t类型整数
• int64_t类型整数

    节点的 previous_entry_length属性以字节为单位,记录了压缩列表中前一个节点的长度。 previous_entry_length属性的长度能够是1字节或者5字节。

• 若是前一节点的长度小于254字节,那么 previous_entry_length属性的长度为1字节，前一节点的长度就保存在这一个字节里面。
• 若是前一节点的长度大于等于254字节,那么 previous_entry_length属性的长度为5字节:其中属性的第一字节会被设置为0xFE(十进制值254),而以后的四个字节则用于保存前一节点的长度.

    节点的encoding属性记录了节点的content属性所保存数据的类型以及长度。

• 一字节、两字节或者五字节长,值的最高位为00、01或者10的是字节数组编码这种编码表示节点的 content属性保存着字节数组,数组的长度由编码除去最高两位以后的其余位记录。
• 一字节长,值的最高位以11开头的是整数编码:这种编码表示节点的content属性保存着整数值,整数值的类型和长度由编码除去最高两位以后的其余位记录。

    节点的content属性负责保存节点的值,节点值能够是一个字节数组或者整数,值的类型和长度由节点的encoding属性决定。

• 编码的最高两位00表示节点保存的是一个字节数组。
• 编码的后六位001011记录了字节数组的长度11。
• content属性保存着节点的值"hello world"。
• 编码11000000表示节点保存的是一个int16_t类型的整数值;
• content属性保存着节点的值10086

2.3 经常使用操做的时间复杂度

操做	时间复杂度
建立一个新的压缩列表	O(1)
建立一个包含给定值的新节点,并将这个新节点添加到压缩列表的表头或者表尾	平均O(N)，最坏O(N^2)(可能发生连锁更新)
将包含给定值的新节点插人到给定节点以后	平均O(N)，最坏O(N^2)(可能发生连锁更新)
返回压缩列表给定索引上的节点	O(N)
在压缩列表中査找并返回包含了给定值的节点	由于节点的值多是一个字节数组,因此检查节点值和给定值是否相同的复杂度为O(N),而查找整个列表的复杂度则为(N^2)
返回给定节点的下一个节点	O(1)
返回给定节点的前一个节点	O(1)
获取给定节点所保存的值	O(1)
从压缩列表中删除给定的节点	平均O(N)，最坏O(N^2)(可能发生连锁更新)
删除压缩列表在给定索引上的连续多个	平均O(N)，最坏O(N^2)(可能发生连锁更新)
返回压缩列表目前占用的内存字节数	O(1)
返回压缩列表目前包含的节点数量	点数量小于65535时为O(1),大于65535时为O(N)

本文重点

• 压缩列表是Redis为节约内存本身设计的一种顺序型数据结构。

• 压缩列表被用做列表键和哈希键的底层实现之一。
• 压缩列表能够包含多个节点,每一个节点能够保存一个字节数组或者整数值。

• 添加新节点到压缩列表,或者从压缩列表中删除节点,可能会引起连锁更新操做,但这种操做出现的概率并不高。

参考

《Redis设计与实现》

《Redis开发与运维》

《Redis官方文档》

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