同一份資料，Redis為什麼要存兩次？

前言

在 Redis 中，有一種資料類型，當在存儲的時候會同時采用兩種資料結構來進行分别存儲，那麼 Redis 為什麼要這麼做呢？這麼做會造成同一份資料占用兩倍空間嗎？

五種基本類型之集合對象

Redis 中的集合對象是一個包含字元串類型元素的無序集合，集合中元素唯一不可重複。

集合對象的底層資料結構有兩種：intset 和 hashtable。内部通過編碼來進行區分：

intset 編碼

intset（整數集合）可以儲存類型為 ​

​int16_t​

​​，​

​int32_t​

​​，​

​int64_t​

​ 的整數值，并且保證集合中沒有重複元素。

intset 資料結構定義如下（源碼 ​

​inset.h​

​ 内）：

typedef struct intset {
    uint32_t encoding;//編碼方式
    uint32_t length;//目前集合中的元素數量
    int8_t contents[];//集合中具體的元素
} intset;      

下圖就是一個 intset 的集合對象存儲簡圖：

encoding

在 intset 内部的 encoding 記錄了目前整數集合的資料存儲類型，主要有三種：

• INTSET_ENC_INT16

此時 ​

​contents[]​

​​ 内的每個元素都是一個 int16_t 類型的整數值，範圍是：​

​-32768 ~ 32767​

​（-2 的 15 次方 ~ 2 的 15 次方 - 1）。

• INTSET_ENC_INT32

此時 ​

​contents[]​

​​ 内的每個元素都是一個 int32_t 類型的整數值，範圍是：​

​-2147483648 ~ 2147483647​

​（-2 的 31 次方 ~ 2 的 31 次方 - 1）。

• INTSET_ENC_INT64

此時 ​

​contents[]​

​​ 内的每個元素都是一個 int64_t 類型的整數值，範圍是：​

​-9223372036854775808 ~ 9223372036854775807​

​（-2 的 63 次方 ~ 2 的 63 次方 - 1）。

​

​contents[]​

​

​

​contents[]​

​ 雖然結構的定義上寫的是 int8_t 類型，但是實際存儲類型是由上面的 encoding 來決定的。

整數集合的更新

假如一開始整數集合中的元素都是 16 位的，采用 int16_t 類型來存儲，此時需要再存儲一個 32 位的整數，那麼就需要對原先的整數集合進行更新，更新之後才能将 32 位的整數存儲到整數集合内。這就涉及到了整數集合的類型更新，更新過程主要有 4 個步驟：

• 根據新添加元素的類型來擴充底層數組空間的大小，按照更新後現有元素的位數來配置設定新的空間。
• 将現有的元素進行類型轉換，并将轉換類型後的元素從後到前逐個重新放回到數組内。
• 将新元素放到數組的頭部或者尾部（因為觸發更新的條件就是目前數組的整數類型無法存儲新元素，是以新元素要麼比現有元素都大，要麼就比現有元素都小）。
• 将 encoding 屬性修改為最新的編碼，并且同步修改 length 屬性。

PS：和字元串對象的編碼一樣，整數集合的類型一旦發生更新，将會保持編碼，無法降級。

更新示例

1.假如我們有一個集合存儲的 encoding 是 ​

​int16_t​

​，内部存儲了 3 個元素：

2.這時候需要插入一個整數 50000，發現存儲不下去，而 50000 是一個 ​

​int32_t​

​​ 類型整數，是以需要申請新空間，申請空間大小為 ​

​4 * 32 - 48=80​

​。

3.現在新的數組内要放置 4 個元素，原來的數組排在第 3，是以需要将更新後的 3 移動到 64-95 位。

4.繼續将更新後的 2 移動到 32-63 位。

5.繼續将更新後的 1 移動到 0-31 位。

6.然後會将 50000 放到 96-127 位。

7.最後會修改 encoding 和 length 屬性，修改之後就完成了本次的更新。

hashtable 編碼

hashtable 結構在前面講述哈希對象的時候進行過詳細分析，想詳細了解的可以點選這裡。

intset 和 hashtable 編碼轉換

當一個集合滿足以下兩個條件時，Redis 會選擇使用 intset 編碼：

• 集合對象儲存的所有元素都是整數值。
• 集合對象儲存的元素數量小于等于 512 個（這個門檻值可以通過配置檔案​

  ​set-max-intset-entries​

  ​ 來控制）。

一旦集合中的元素不滿足上面兩個條件，則會選擇使用 hashtable 編碼。

集合對象常用指令

• ​

  ​sadd key member1 member2​

  ​：将一個或多個元素 member 加入到集合 key 當中，并傳回添加成功的數目，如果元素已存在則被忽略。
• ​

  ​sismember key member​

  ​：判斷元素 member 是否存在集合 key 中。
• ​

  ​srem key member1 member2​

  ​：移除集合 key 中的元素，不存在的元素會被忽略。
• ​

  ​smove source dest member​

  ​：将元素 member 從集合 source 中移動到 dest 中，如果 member 不存在，則不執行任何操作。
• ​

  ​smembers key​

  ​：傳回集合 key 中所有元素。

了解了操作集合對象的常用指令，我們就可以來驗證下前面提到的哈希對象的類型和編碼了，在測試之前為了防止其他 key 值的幹擾，我們先執行 flushall 指令清空 Redis 資料庫。

依次執行如下指令：

sadd num 1 2 3  //設定 3 個整數的集合，會使用 intset 編碼
type num //檢視類型
object encoding num   //檢視編碼

sadd name 1 2 3 test  //設定 3 個整數和 1 個字元串的集合，會使用 hashtable 編碼
type name //檢視類型
object encoding name //檢視編碼       

得到如下效果：

可以看到，當設定的元素裡面隻有整數時，集合使用的就是 intset 編碼，當設定的元素中含有非整數時，使用的就是 hashtable 編碼。

五種基本類型之有序集合對象

Redis 中的有序集合和集合的差別是有序集合中的每個元素都會關聯一個 double 類型的分數，然後按照分數從小到大的順序進行排列。換句話說，有序集合的順序是由我們自己設值的時候通過分數來确定的。

有序集合對象的底層資料結構有兩種：skiplist 和 ziplist。内部同樣是通過編碼來進行區分：

skiplist 編碼

skiplist 即跳躍表，有時候也簡稱為跳表。使用 skiplist 編碼的有序集合對象使用了 zset 結構來作為底層實作，而zset 中同時包含了一個字典和一個跳躍表。

跳躍表

跳躍表是一種有序的資料結構，其主要特點是通過在每個節點中維持多個指向其他節點的指針，進而達到快速通路節點的目的。

大部分情況下，跳躍表的效率可以等同于平衡樹，但是跳躍表的實作卻遠遠比平衡樹的實作簡單，是以 Redis 選擇了使用跳躍表來實作有序集合。

下圖是一個普通的有序連結清單，我們如果想要找到 35 這個元素，隻能從頭開始周遊到尾（連結清單中元素不支援随機通路，是以不能用二分查找，而數組中可以通過下标随機通路，是以二分查找一般适用于有序數組），時間複雜度是 ​

​O(n)​

​。

那麼假如我們可以直接跳到連結清單的中間，那就可以節省很多資源了，這就是跳表的原理，如下圖所示就是一個跳表的資料結構示例：

上圖中 level1，level2，level3 就是跳表的層級，每一個 level 層級都有一個指向下一個相同 level 層級元素的指針，比如上圖我們周遊尋找元素 35 的時候就有三種方案：

• 第 1 種就是執行 level1 層級的指針，需要周遊 7 次（​

  ​1->8->9->12->15->20->35​

  ​）才能找到元素 35。
• 第 2 種就是執行 level2 層級的指針，隻需要周遊 5 次（​

  ​1->9->12->15->35​

  ​）就能找到元素 35。
• 第 3 種就是執行 level3 層級的元素，這時候隻需要周遊 3 次（​

  ​1->12->35​

  ​）就能找到元素 35 了，大大提升了效率。

skiplist 的存儲結構

跳躍表中的每個節點是一個 ​

​zskiplistNode​

​​ 節點（源碼 ​

​server.h​

​ 内）：

typedef struct zskiplistNode {
    sds ele;//元素
    double score;//分值
    struct zskiplistNode *backward;//後退指針
    struct zskiplistLevel {//層
        struct zskiplistNode *forward;//前進指針
        unsigned long span;//目前節點到下一個節點的跨度（跨越的節點數）
    } level[];
} zskiplistNode;      

• level（層）

level 即跳躍表中的層，其是一個數組，也就是說一個節點的元素可以擁有多個層，即多個指向其他節點的指針，程式可以通過不同層級的指針來選擇最快捷的路徑提升通路速度。

level 是在每次建立新節點的時候根據幂次定律（power law）随機生成的一個介于 1~32 之間的數字。

• forward（前進指針）

每個層都會有一個指向連結清單尾部方向元素的指針，周遊元素的時候需要使用到前進指針。

• span（跨度）

跨度記錄了兩個節點之間的距離,需要注意的是，如果指向了 NULL 的話，則跨度為 0。

• backward（後退指針）

和前進指針不一樣的是後退指針隻有一個，是以每次隻能後退至前一個節點（上圖中沒有畫出後退指針）。

• ele（元素）

跳躍表中元素是一個 sds 對象（早期版本使用的是 redisObject 對象），元素必須唯一不能重複。

• score（分值）

節點的分值是一個 double 類型的浮點數，跳躍表中會将節點按照分值按照從小到大的順序排列，不同節點的分值可以重複。

上面介紹的隻是跳躍表中的一個節點，多個 zskiplistNode 節點組成了一個 zskiplist 對象：

typedef struct zskiplist {
    struct zskiplistNode *header, *tail;//跳躍表的頭節點和尾結點指針
    unsigned long length;//跳躍表的節點數
    int level;//所有節點中最大的層數
} zskiplist;      

到這裡你可能以為有序集合就是用這個 zskiplist 來實作的，然而實際上 Redis 并沒有直接使用 zskiplist 來實作，而是用 zset 對象再次進行了一層包裝。

typedef struct zset {
    dict *dict;//字典對象
    zskiplist *zsl;//跳躍表對象
} zset;      

是以最終，一個有序集合如果使用了 skiplist 編碼，其資料結構如下圖所示：

上圖中上面一部分中的字典中的 key 就是對應了有序集合中的元素（member），value 就對應了分值（score）。上圖中下面一部分中跳躍表整數 1,8,9,12 也是對應了元素（member），最後一排的 double 型數字就是分值（score）。

也就是說字典和跳躍表中的資料都指向了我們存儲的元素（兩種資料結構最終指向的是同一個位址，是以資料并不會出現備援存儲），Redis 為什麼要這麼做呢？

為什麼同時選擇使用字典和跳躍表

有序集合直接使用跳躍表或者單獨使用字典完全可以獨自實作，但是我們想一下，如果單獨使用跳躍表來實作，那麼雖然可以使用跨度大的指針去周遊元素來找到我們需要的資料，但是其複雜度仍然達到了 O(logN)，而字典中擷取一個元素的複雜度是 O(1)，而如果單獨使用字典雖然擷取元素很快，但是字典是無序的，是以如果要範圍查找就需要對其進行排序，這又是一個耗時的操作，是以 Redis 綜合了兩種資料結構來最大程度的提升性能，這也是 Redis 設計的精妙之處。

ziplist 編碼

壓縮清單在清單對象和哈希對象都有使用到

ziplist 和 skiplist 編碼轉換

當有序集合對象同時滿足以下兩個條件時，會使用 ziplist 編碼進行存儲：

• 有序集合對象中儲存的元素個數小于 128 個（可以通過配置​

  ​zset-max-ziplist-entries​

  ​ 修改）。
• 有序集合對象中儲存的所有元素的總長度小于 64 位元組（可以通過配置​

  ​zset-max-ziplist-value​

  ​ 修改）。

有序集合對象常用指令

• ​

  ​zadd key score1 member1 score2 member2​

  ​：将一個或多個元素（member）及其 score 添加到有序集合 key 中。
• ​

  ​zscore key member​

  ​：傳回有序集合 key 中 member 成員的 score。
• ​

  ​zincrby key num member​

  ​：将有序集合 key 中的 member 加上 num，num 可以為負數。
• ​

  ​zcount key min max​

  ​：傳回有序集合 key 中 score 值在 [min,max] 區間的 member 數量。
• ​

  ​zrange key start stop​

  ​：傳回有序集合 key 中 score 從小到大排列後在 [start,stop] 區間的所有 member。
• ​

  ​zrevrange key start stop​

  ​：傳回有序集合 key 中 score 從大到小排列後在 [start,stop] 區間的所有 member。
• ​

  ​zrangebyscore key min max​

  ​​：傳回有序集合中按 score 從小到大排列後在 [min,max] 區間的所有元素。注意這裡預設是閉區間，但是可以在 max 和 min 的數值前面加上 ​

  ​(​

  ​ 或者 ​

  ​[​

  ​ 來控制開閉區間。
• ​

  ​zrevrangebyscore key max min​

  ​​：傳回有序集合中按 score 從大到小排列後在 [min,max] 區間的所有元素。注意這裡預設是閉區間，但是可以在 max 和 min 的數值前面加上 ​

  ​(​

  ​ 或者 ​

  ​[​

  ​ 來控制開閉區間。
• ​

  ​zrank key member​

  ​：傳回有序集合中 member 中元素排名（從小到大），傳回的結果從 0 開始計算。
• ​

  ​zrevrank key member​

  ​：傳回有序集合中 member 中元素排名（從大到小），傳回的結果從 0 開始計算。
• ​

  ​zlexcount key min max​

  ​​：傳回有序集合中 min 和 max 之間的 member 數量。注意這個指令中的 min 和 max 前面必須加 ​

  ​(​

  ​ 或者 ​

  ​[​

  ​ 來控制開閉區間，特殊值 - 和 + 分别表示負無窮和正無窮。

了解了操作有序集合對象的常用指令，我們就可以來驗證下前面提到的哈希對象的類型和編碼了，在測試之前為了防止其他 key 值的幹擾，我們先執行 flushall 指令清空 Redis 資料庫。

在執行指令之前，我們先把配置檔案中的參數 ​

​zset-max-ziplist-entries​

​ 修改為 2，然後重新開機 Redis 服務。

重新開機完成之後依次執行如下指令：

zadd name 1 zs 2 lisi //設定 2 個元素會使用 ziplist
type name //檢視類型
object encoding name //檢視編碼 
    
zadd address 1 beijing 2 shanghai 3 guangzhou 4 shenzhen  //設定4個元素則會使用 skiplist編碼
type address  //檢視類型
object encoding address //檢視編碼       

得到如下效果：

總結