精通Redis之路（一）数据结构——String原理介绍及使用场景

为什么编撰这个系列

1.在无数的简历中见过“精通Redis”的技能描述，当问其一些原理性的东西时候都是磕磕绊绊毫无头绪及思路，
  大部分面试者停留在使用的阶段，可是若是单纯的使用，不知其原理，
  在某些逼死面试者的面试场景中就会真的被逼死~
3.巩固自身姿式~
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接下来将直入主题

Redis 数据结构

1、String

能够简单的认为底层实现就是SDS(Simple Dynamic String)。Redis中，默认以SDS做为本身的字符串表示，
只有在一些字符串不可能出现变化的地方使用C字符串。
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SDS 与 C字符串 比较

SDS	C字符串
获取字符串长度的复杂度为O(1)	获取字符串长度的复杂度为O(N)
API是安全的，不会形成缓冲区溢出	API是不安全的，可能会形成缓冲区溢出
修改字符串长度N次最多须要执行N次内存重分配	修改字符串长度N次必然须要执行N次内存重分配
能够保存文本或者二进制数据	只能保存文本数据
可使用一部分库的函数	可使用全部库中的函数

接下来是比较结果的原理介绍

SDS定义以下：

struct sdshdr {    
  // 用于记录buf数组中使用的字节的数目
  // 和SDS存储的字符串的长度相等 
	int len;    
  // 用于记录buf数组中没有使用的字节的数目 
	int free;    
  // 字节数组，用于储存字符串
	char buf[];   //buf的大小等于len+free+1，其中多余的1个字节是用来存储’\0’的。
};
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• SDS除了用来保存数据库中的字符串以外，SDS还被用做缓冲区（buffer），如AOF模块中的AOF缓冲区，以及客户端状态中的输入缓冲区

SDS存储示例：

1.获取字符串长度的复杂度

C语言中: 字符串只是简单的字符的数组，当使用strlen获取字符串长度的时候，
         内部实际上是直接顺序遍历数组的内容，找到对应的’\0’对应的字符，从而计算出字符串的长度。
         即O(N)
S D S : 只须要访问SDS的len属性就能获得字符串的长度，复杂度为O(1)。
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2.杜绝缓冲区溢出

Redis是C语言编写的，并无方便的数据类型来进行内存的分配和释放（C++ STL String），
必须手动进行内存分配和释放。
对于字符串的拼接、复制等操做，C语言开发者必须确保目标字符串的空间足够大，否则就会出现溢出的状况。
当使用SDS的API对字符串进行修改的时候，

1. API内部第一步会检测字符串的大小是否知足。
    若是空间已经知足要求，那么就像C语言同样操做便可。若是不知足，则拓展buf的空间
2. 以后再进行操做。每次操做以后，len和free的值会作相应的修改。

扩展buf空间策略：
1. 修改以后总长度len<1MB: 总空间为2*len+1;
2. 修改以后总长度len>=1MB: 总空间为len+1MB+1。
换句话说，预分配的空间上限是1MB，尽可能为len。
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3.减小修改字符串时带来的内存重分配次数

Redis主要经过如下两种策略来处理内存问题。
    字符串长度增长操做时，进行空间预分配
    字符串长度减小操做时，惰性空间释放
        当执行字符串长度缩短的操做的时候，SDS并不直接从新分配多出来的字节，
        而是修改len和free的值（len相应减少，free相应增大，buf的空间大小不变化），避免内存重分配。
        SDS也提供直接释放未使用空间的API，在须要的时候，也能真正的释放掉多余的空间。
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4.二进制安全

C字符串除了末尾以外不能出现空字符，不然会被程序认为是字符串的结尾。
这就使得C字符串只能存储文本数据，而不能保存图像，音频等二进制数据。
使用SDS就不须要依赖控制符，而是用len来指定存储数据的大小，
全部的SDS API都会以处理二进制的方式来处理SDS的buf的数据。
程序不会对buf的数据作任何限制、过滤或假设，数据写入的时候是什么，读取的时候依然不变。
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5.兼容部分C字符串函数

SDS的buf的定义（字符串末尾为’\0’)和C字符串彻底相同，所以不少的C字符串的操做都是适用于SDS->buf的。
好比当buf里面存的是文本字符串的时候，大多数经过调用C语言的函数就能够。
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参考

喵耳朵 redis基本操做-string原理 （原文地址404）

SDS底层结构 segmentfault.com/p/121000000…

使用场景：

1.缓存

string类型为基本简单类型也是最经常使用的缓存数据类型，字符串单key长度最长为512MB,
一般作法是能够将简单对象序列化后存入。但建议根据业务及业务数据选择最优的数据结构，
不建议全部数据均序列化存入string，固然这样开发很快，可是有一点点low。智者见智。
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2.计数器

当string结构中存储的是数字时，可进行incr、decr操做，可是注意：此时string内部存储的便再也不是SDS了，同时string方法中setBit及getRange的实现也会有所不一样（TODO）
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3.共享session

用户从新刷新一次界面，可能须要访问一下数据进行从新登陆，或者访问页面缓存Cookie，
可是能够利用Redis将用户的Session集中管理，在这种模式只须要保证Redis的高可用，
每次用户Session的更新和获取均可以快速完成。大大提升效率。（这段是抄的）
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相关命令整理：

copy from www.cnblogs.com/DswCnblog/p…

命令原型	时间复杂度	命令描述
APPEND	O(1)	若是该Key已经存在，APPEND命令将参数Value的数据追加到已存在Value的末尾。若是该Key不存在，APPEND命令将会建立一个新的Key/Value。
DECR	O(1)	将指定Key的Value原子性的递减1。若是该Key不存在，其初始值为0，在decr以后其值为-1。若是Value的值不能转换为整型值，如Hello，该操做将执行失败并返回相应的错误信息。注意：该操做的取值范围是64位有符号整型。