Redis 源码研究之dict

本文主要记录在阅读Redis源码中dict部分的一些函数和实现的巧妙之处。

建议阅读：

1、Redis字典实现的理论说明见： wenmingxing Redis之字典
2、完成的代码注释见：Redis3.0_sourcecode_reading

I、哈希表节点

/*
 * 哈希表节点
 */
typedef struct dictEntry {
    
    // 键
    void *key;

    // 值，可以是三种形式
    union {
        void *val;
        uint64_t u64;
        int64_t s64;
    } v;

    // 指向下个哈希表节点，形成链表
    struct dictEntry *next;

} dictEntry;

II、哈希表结构

dictEntry结构组成哈希表链表。

/* This is our hash table structure. Every dictionary has two of this as we
 * implement incremental rehashing, for the old to the new table. */
/*
 * 哈希表
 *
 * 每个字典都使用两个哈希表，从而实现渐进式 rehash 。
 */
typedef struct dictht {
    
    // 哈希表数组
    // 里面存储dictEntry
    dictEntry **table;

    // 哈希表大小
    unsigned long size;
    
    // 哈希表大小掩码，用于计算索引值
    // 总是等于 size - 1，index = hash & sizemask
    // 这样所有计算得出的hash值都可以对应于table的索引
    unsigned long sizemask;

    // 该哈希表已有节点的数量
    unsigned long used;

} dictht;

III、字典结构

/*
 * 字典
 */
typedef struct dict {

    // 类型特定函数
    dictType *type;

    // 私有数据
    void *privdata;

    // 哈希表，每个字典包含两个table
    dictht ht[2];

    // rehash 索引标识
    // 当 rehash 不在进行时，值为 -1
    int rehashidx; /* rehashing not in progress if rehashidx == -1 */

    // 目前正在运行的安全迭代器的数量
    int iterators; /* number of iterators currently running */

} dict;

IV、渐进式rehash函数实现源码

/* Performs N steps of incremental rehashing. Returns 1 if there are still
 * keys to move from the old to the new hash table, otherwise 0 is returned.
 *
 * 执行 N 步渐进式 rehash 。
 *
 * 返回 1 表示仍有键需要从 0 号哈希表移动到 1 号哈希表，
 * 返回 0 则表示所有键都已经迁移完毕。
 *
 * Note that a rehashing step consists in moving a bucket (that may have more
 * than one key as we use chaining) from the old to the new hash table.
 *
 * 注意，每步 rehash 都是以一个哈希表索引作为单位的，这个哈希表的索引可以看做是桶（联想桶排序）。
 * 一个桶里可能会有多个节点，被 rehash 的桶里的所有节点都会被移动到新哈希表。
 *
 * T = O(N)
 */
int dictRehash(dict *d, int n) {

    // dictIsRehashing标识是否在执行rehash
    // 只可以在 rehash 进行中时执行
    if (!dictIsRehashing(d)) return 0;

    // 进行 N 步迁移
    // T = O(N)
    while(n--) {
        dictEntry *de, *nextde;    

        /* Check if we already rehashed the whole table... */
        // 如果 0 号哈希表为空，那么表示 rehash 执行完毕
        // T = O(1)
        if (d->ht[0].used == 0) {
            // 释放 0 号哈希表
            zfree(d->ht[0].table);
            // 将原来的 1 号哈希表设置为新的 0 号哈希表
            d->ht[0] = d->ht[1];
            // 重置旧的 1 号哈希表
            _dictReset(&d->ht[1]);
            // 关闭 rehash 标识
            d->rehashidx = -1;
            // 返回 0 ，向调用者表示 rehash 已经完成
            return 0;
        }

        /* Note that rehashidx can't overflow as we are sure there are more
         * elements because ht[0].used != 0 */
        // 断言，确保 rehashidx 没有越界
        assert(d->ht[0].size > (unsigned)d->rehashidx);

        // 略过数组中为空的索引，找到下一个非空索引
        while(d->ht[0].table[d->rehashidx] == NULL) d->rehashidx++;

        // de指向该索引的链表表头节点
        de = d->ht[0].table[d->rehashidx];
        /* Move all the keys in this bucket from the old to the new hash HT */
        // 将链表中的所有节点迁移到新哈希表
        // T = O(1)
        while(de) {     //链表中的每个节点都需要重新计算所在位置，而不是将整个链表直接存放到table一个索引中
            unsigned int h;

            // 保存下个节点的指针
            nextde = de->next;

            /* Get the index in the new hash table */
            // 计算新哈希表的哈希值，以及节点插入的索引位置
            // 索引位置为哈希值&掩码，比如说一个数和8相与，则得到的结果不可能大于8
            h = dictHashKey(d, de->key) & d->ht[1].sizemask;

            // 插入节点到新哈希表，每次插入都插入到链表的头结点，这样的时间复杂度为O(1)
            de->next = d->ht[1].table[h];
            d->ht[1].table[h] = de;

            // 更新计数器
            d->ht[0].used--;
            d->ht[1].used++;

            // 继续处理下个节点
            de = nextde;
        }
        // 将刚迁移完的哈希表索引的指针设为空
        d->ht[0].table[d->rehashidx] = NULL;
        // 更新 rehash 索引
        d->rehashidx++;
    }

    return 1;
}

V、节点删除函数实现

/* Search and remove an element */
/*
 * 查找并删除包含给定键的节点
 *
 * 参数 nofree 决定是否调用键和值的释放函数
 * 0 表示调用，1 表示不调用
 *
 * 找到并成功删除返回 DICT_OK ，没找到则返回 DICT_ERR
 *
 * T = O(1)
 */
static int dictGenericDelete(dict *d, const void *key, int nofree)
{
    unsigned int h, idx;
    dictEntry *he, *prevHe;
    int table;

    // 字典（的哈希表）为空
    if (d->ht[0].size == 0) return DICT_ERR; /* d->ht[0].table is NULL */

    // 进行单步 rehash ，T = O(1)
    // 如果字典正在进行rehash，则由于删除操作，rehash渐进一步
    if (dictIsRehashing(d)) _dictRehashStep(d);

    // 计算哈希值
    h = dictHashKey(d, key);

    // 遍历哈希表
    // T = O(1)
    for (table = 0; table <= 1; table++) {

        // 计算索引值 
        idx = h & d->ht[table].sizemask;
        // 指向该索引上的链表
        he = d->ht[table].table[idx];
        prevHe = NULL;
        // 遍历链表上的所有节点
        // T = O(1)
        while(he) {
        
            if (dictCompareKeys(d, key, he->key)) {
                // 超找目标节点

                /* Unlink the element from the list */
                // 从链表中删除
                if (prevHe)
                    prevHe->next = he->next;
                else    // 如果为头结点
                    d->ht[table].table[idx] = he->next;

                // 释放调用键和值的释放函数
                if (!nofree) {
                    dictFreeKey(d, he);
                    dictFreeVal(d, he);
                }
                
                // 释放节点本身
                zfree(he);

                // 更新已使用节点数量
                d->ht[table].used--;

                // 返回已找到信号
                return DICT_OK;
            }

            prevHe = he;
            he = he->next;
        }

        // 如果执行到这里，说明在 0 号哈希表中找不到给定键
        // 那么根据字典是否正在进行 rehash ，决定要不要查找 1 号哈希表
        // 如果没有在执行rehash，则直接退出，最后返回没找到
        if (!dictIsRehashing(d)) break;
    }

    // 没找到
    return DICT_ERR; /* not found */
}

VI、字典的迭代器结构

/* If safe is set to 1 this is a safe iterator, that means, you can call
 * dictAdd, dictFind, and other functions against the dictionary even while
 * iterating. Otherwise it is a non safe iterator, and only dictNext()
 * should be called while iterating. */
/*
 * 字典迭代器
 *
 * 如果 safe 属性的值为 1 ，说明是安全迭代器
 * 那么在迭代进行的过程中程序仍然可以执行 dictAdd 、 dictFind 和其他函数，对字典进行修改。
 *
 * 如果 safe 不为 1 ，那么程序只会调用 dictNext 对字典进行迭代，
 * 而不能对字典进行修改。
 */
typedef struct dictIterator {
        
    // 被迭代的字典
    dict *d;

    // table ：正在被迭代的哈希表号码，值可以是 0 或 1 。
    // index ：迭代器当前所指向的哈希表索引位置。
    // safe ：标识这个迭代器是否安全
    int table, index, safe;

    // entry ：当前迭代到的节点的指针
    // nextEntry ：当前迭代节点的下一个节点
    // 因为在安全迭代器运作时， entry 所指向的节点可能会被修改，
    // 所以需要一个额外的指针来保存下一节点的位置，
    // 从而防止指针丢失
    dictEntry *entry, *nextEntry;

    // 如果为不安全指针，所需要计算的指纹，目的是进行误用检测
    long long fingerprint; /* unsafe iterator fingerprint for misuse detection */
} dictIterator;

VII、迭代器获取函数实现

主要需要实现的是找到迭代器的下一节点。

/*
 * 返回迭代器指向的当前节点
 *
 * 字典迭代完毕时，返回 NULL
 *
 * T = O(1)
 */
dictEntry *dictNext(dictIterator *iter)
{
    while (1) {

        // 进入这个循环有两种可能：
        // 1) 这是迭代器第一次运行
        // 2) 当前索引链表中的节点已经迭代完（NULL 为链表的表尾）
        if (iter->entry == NULL) {      //迭代器第一次运行

            // 指向被迭代的哈希表
            dictht *ht = &iter->d->ht[iter->table];

            // 初次迭代时执行
            if (iter->index == -1 && iter->table == 0) {
                // 如果是安全迭代器，那么更新安全迭代器计数器
                if (iter->safe)
                    iter->d->iterators++;
                // 如果是不安全迭代器，那么计算指纹
                else
                    iter->fingerprint = dictFingerprint(iter->d);
            }
            // 更新索引
            iter->index++;

            // 如果迭代器的当前索引大于当前被迭代的哈希表的大小
            // 那么说明这个哈希表已经迭代完毕
            if (iter->index >= (signed) ht->size) {
                // 如果正在 rehash 的话，那么说明 1 号哈希表也正在使用中
                // 那么继续对 1 号哈希表进行迭代
                if (dictIsRehashing(iter->d) && iter->table == 0) {
                    iter->table++;
                    iter->index = 0;
                    ht = &iter->d->ht[1];
                // 如果没有 rehash ，那么说明迭代已经完成
                } else {
                    break;
                }
            }

            // 如果进行到这里，说明这个哈希表并未迭代完
            // 更新节点指针，指向下个索引链表的表头节点
            iter->entry = ht->table[iter->index];
        } else {
            // 执行到这里，说明程序正在迭代某个链表
            // 将节点指针指向链表的下个节点
            iter->entry = iter->nextEntry;
        }

        // 如果当前节点不为空，那么也记录下该节点的下个节点
        // 因为安全迭代器有可能会将迭代器返回的当前节点删除
        if (iter->entry) {
            /* We need to save the 'next' here, the iterator user
             * may delete the entry we are returning. */
            iter->nextEntry = iter->entry->next;
            return iter->entry;
        }
    }

    // 迭代完毕
    return NULL;
}

【参考】
[1] 《Redis设计与实现》

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