Redis设计与实现7 对象的类型与编码

2018-06-05  本文已影响10人  one_zheng

 Redis 使用对象来表示数据库中的键和值， 每次当我们在 Redis 的数据库中新创建一个键值对时， 我们至少会创建两个对象， 一个对象用作键值对的键（键对象）， 另一个对象用作键值对的值（值对象）。

举个例子， 以下 SET 命令在数据库中创建了一个新的键值对， 其中键值对的键是一个包含了字符串值 "msg" 的对象， 而键值对的值则是一个包含了字符串值 "hello world" 的对象：

redis> SET msg "hello world"
OK

Redis 中的每个对象都由一个 redisObject 结构表示， 该结构中和保存数据有关的三个属性分别是 type 属性、 encoding 属性和 ptr 属性：

typedef struct redisObject {

    // 类型
    unsigned type:4;

    // 编码
    unsigned encoding:4;

    // 指向底层实现数据结构的指针
    void *ptr;

    // 引用计数
    int refcount;

    // 对象最后一次被命令程序访问的时间

    unsigned lru:22;
    // ...

} robj;

类型

对象的 type 属性记录了对象的类型， 这个属性的值可以是表 8-1 列出的常量的其中一个。

表 8-1 对象的类型

类型常量 对象的名称
REDIS_STRING 字符串对象
REDIS_LIST 列表对象
REDIS_HASH 哈希对象
REDIS_SET 集合对象
REDIS_ZSET 有序集合对象

对于 Redis 数据库保存的键值对来说， 键总是一个字符串对象， 而值则可以是字符串对象、列表对象、哈希对象、集合对象或者有序集合对象的其中一种， 因此：

TYPE 命令的实现方式也与此类似， 当我们对一个数据库键执行 TYPE 命令时， 命令返回的结果为数据库键对应的值对象的类型， 而不是键对象的类型：

# 键为字符串对象，值为字符串对象

redis> SET msg "hello world"
OK

redis> TYPE msg
string

# 键为字符串对象，值为列表对象

redis> RPUSH numbers 1 3 5
(integer) 6

redis> TYPE numbers
list

# 键为字符串对象，值为哈希对象

redis> HMSET profile name Tome age 25 career Programmer
OK

redis> TYPE profile
hash

# 键为字符串对象，值为集合对象

redis> SADD fruits apple banana cherry
(integer) 3

redis> TYPE fruits
set

# 键为字符串对象，值为有序集合对象

redis> ZADD price 8.5 apple 5.0 banana 6.0 cherry
(integer) 3

redis> TYPE price
zset

表 8-2 列出了 TYPE 命令在面对不同类型的值对象时所产生的输出。

表 8-2 不同类型值对象的 TYPE 命令输出

对象 对象 type 属性的值 TYPE 命令的输出
字符串对象 REDIS_STRING "string"
列表对象 REDIS_LIST "list"
哈希对象 REDIS_HASH "hash"
集合对象 REDIS_SET "set"
有序集合对象 REDIS_ZSET "zset"

编码和底层实现

对象的 ptr 指针指向对象的底层实现数据结构， 而这些数据结构由对象的 encoding 属性决定。

encoding 属性记录了对象所使用的编码， 也即是说这个对象使用了什么数据结构作为对象的底层实现， 这个属性的值可以是表 8-3 列出的常量的其中一个。

编码常量 编码所对应的底层数据结构
REDIS_ENCODING_INT long 类型的整数
REDIS_ENCODING_EMBSTR embstr 编码的简单动态字符串
REDIS_ENCODING_RAW 简单动态字符串
REDIS_ENCODING_HT 字典
REDIS_ENCODING_LINKEDLIST 双端链表
REDIS_ENCODING_ZIPLIST 压缩列表
REDIS_ENCODING_INTSET 整数集合
REDIS_ENCODING_SKIPLIST 跳跃表和字典

表 8-3 对象的编码

编码常量 编码所对应的底层数据结构
REDIS_ENCODING_INT long 类型的整数
REDIS_ENCODING_EMBSTR embstr 编码的简单动态字符串
REDIS_ENCODING_RAW 简单动态字符串
REDIS_ENCODING_HT 字典
REDIS_ENCODING_LINKEDLIST 双端链表
REDIS_ENCODING_ZIPLIST 压缩列表
REDIS_ENCODING_INTSET 整数集合
REDIS_ENCODING_SKIPLIST 跳跃表和字典

每种类型的对象都至少使用了两种不同的编码， 表 8-4 列出了每种类型的对象可以使用的编码。

表 8-4 不同类型和编码的对象

类型 编码 对象
REDIS_STRING REDIS_ENCODING_INT 使用整数值实现的字符串对象。
REDIS_STRING REDIS_ENCODING_EMBSTR 使用 embstr 编码的简单动态字符串实现的字符串对象。
REDIS_STRING REDIS_ENCODING_RAW 使用简单动态字符串实现的字符串对象。
REDIS_LIST REDIS_ENCODING_ZIPLIST 使用压缩列表实现的列表对象。
REDIS_LIST REDIS_ENCODING_LINKEDLIST 使用双端链表实现的列表对象。
REDIS_HASH REDIS_ENCODING_ZIPLIST 使用压缩列表实现的哈希对象。
REDIS_HASH REDIS_ENCODING_HT 使用字典实现的哈希对象。
REDIS_SET REDIS_ENCODING_INTSET 使用整数集合实现的集合对象。
REDIS_SET REDIS_ENCODING_HT 使用字典实现的集合对象。
REDIS_ZSET REDIS_ENCODING_ZIPLIST 使用压缩列表实现的有序集合对象。
REDIS_ZSET REDIS_ENCODING_SKIPLIST 使用跳跃表和字典实现的有序集合对象。

使用 OBJECT ENCODING 命令可以查看一个数据库键的值对象的编码：

redis> SET msg "hello wrold"
OK

redis> OBJECT ENCODING msg
"embstr"

redis> SET story "long long long long long long ago ..."
OK

redis> OBJECT ENCODING story
"raw"

redis> SADD numbers 1 3 5
(integer) 3

redis> OBJECT ENCODING numbers
"intset"

redis> SADD numbers "seven"
(integer) 1

redis> OBJECT ENCODING numbers
"hashtable"

表 8-5 列出了不同编码的对象所对应的 OBJECT ENCODING 命令输出。

表 8-5 OBJECT ENCODING 对不同编码的输出

对象所使用的底层数据结构 编码常量 OBJECT ENCODING 命令输出
整数 REDIS_ENCODING_INT "int"
embstr 编码的简单动态字符串（SDS） REDIS_ENCODING_EMBSTR "embstr"
简单动态字符串 REDIS_ENCODING_RAW "raw"
字典 REDIS_ENCODING_HT "hashtable"
双端链表 REDIS_ENCODING_LINKEDLIST "linkedlist"
压缩列表 REDIS_ENCODING_ZIPLIST "ziplist"
整数集合 REDIS_ENCODING_INTSET "intset"
跳跃表和字典 REDIS_ENCODING_SKIPLIST "skiplist"

通过 encoding 属性来设定对象所使用的编码， 而不是为特定类型的对象关联一种固定的编码， 极大地提升了 Redis 的灵活性和效率， 因为 Redis 可以根据不同的使用场景来为一个对象设置不同的编码， 从而优化对象在某一场景下的效率。

举个例子， 在列表对象包含的元素比较少时， Redis 使用压缩列表作为列表对象的底层实现：

在接下来的内容中， 我们将分别介绍 Redis 中的五种不同类型的对象， 说明这些对象底层所使用的编码方式， 列出对象从一种编码转换成另一种编码所需的条件， 以及同一个命令在多种不同编码上的实现方法。

类型检查与命令多态

Redis 中用于操作键的命令基本上可以分为两种类型。

其中一种命令可以对任何类型的键执行， 比如说 DEL 命令、 EXPIRE 命令、 RENAME 命令、 TYPE 命令、 OBJECT 命令， 等等。

举个例子， 以下代码就展示了使用 DEL 命令来删除三种不同类型的键：

# 字符串键
redis> SET msg "hello"
OK

# 列表键
redis> RPUSH numbers 1 2 3
(integer) 3

# 集合键
redis> SADD fruits apple banana cherry
(integer) 3

redis> DEL msg
(integer) 1

redis> DEL numbers
(integer) 1

redis> DEL fruits
(integer) 1

而另一种命令只能对特定类型的键执行， 比如说：

SET 、 GET 、 APPEND 、 STRLEN 等命令只能对字符串键执行；
HDEL 、 HSET 、 HGET 、 HLEN 等命令只能对哈希键执行；
RPUSH 、 LPOP 、 LINSERT 、 LLEN 等命令只能对列表键执行；
SADD 、 SPOP 、 SINTER 、 SCARD 等命令只能对集合键执行；
ZADD 、 ZCARD 、 ZRANK 、 ZSCORE 等命令只能对有序集合键执行；
诸如此类。

举个例子， 我们可以用 SET 命令创建一个字符串键， 然后用 GET 命令和 APPEND 命令操作这个键， 但如果我们试图对这个字符串键执行只有列表键才能执行的 LLEN 命令， 那么 Redis 将向我们返回一个类型错误：

redis> SET msg "hello world"
OK

redis> GET msg
"hello world"

redis> APPEND msg " again!"
(integer) 18

redis> GET msg
"hello world again!"

redis> LLEN msg
(error) WRONGTYPE Operation against a key holding the wrong kind of value

内存回收

因为 C 语言并不具备自动的内存回收功能， 所以 Redis 在自己的对象系统中构建了一个引用计数（reference counting）技术实现的内存回收机制， 通过这一机制， 程序可以通过跟踪对象的引用计数信息， 在适当的时候自动释放对象并进行内存回收。

每个对象的引用计数信息由 redisObject 结构的 refcount 属性记录：

typedef struct redisObject {

    // ...

    // 引用计数
    int refcount;

    // ...

} robj;

对象的引用计数信息会随着对象的使用状态而不断变化：

在创建一个新对象时， 引用计数的值会被初始化为 1 ；
当对象被一个新程序使用时， 它的引用计数值会被增一；
当对象不再被一个程序使用时， 它的引用计数值会被减一；
当对象的引用计数值变为 0 时， 对象所占用的内存会被释放。
表 8-12 列出了修改对象引用计数的 API ， 这些 API 分别用于增加、减少、重置对象的引用计数。

表 8-12 修改对象引用计数的 API

函数 作用
incrRefCount 将对象的引用计数值增一。
decrRefCount 将对象的引用计数值减一， 当对象的引用计数值等于 0 时， 释放对象。
resetRefCount 将对象的引用计数值设置为 0 ， 但并不释放对象， 这个函数通常在需要重新设置对象的引用计数值时使用。

对象的整个生命周期可以划分为创建对象、操作对象、释放对象三个阶段。

作为例子， 以下代码展示了一个字符串对象从创建到释放的整个过程：

// 创建一个字符串对象 s ，对象的引用计数为 1
robj *s = createStringObject(...)

// 对象 s 执行各种操作 ...

// 将对象 s 的引用计数减一，使得对象的引用计数变为 0
// 导致对象 s 被释放
decrRefCount(s)

其他不同类型的对象也会经历类似的过程。

重点回顾

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