Redis SDS 深入一點,看到更多!

1、什麼是SDS?

Redis 自定的字符串存儲結構,關於redis,你需要了解的幾點!中我們對此有過簡要說明。

Redis 底層是用C語言編寫的,可是在字符存儲上,並未使用C原生的String類型,而是定義了自己的字符串結構 Simple Dynamic Stirng,簡稱SDS。

SDS基本結構如下:

struct sdshdr {
int len; // 記錄buf數組中已使用字節的數量,等於SDS所保存字符串的長度
int free; // 記錄buf數組中未使用字節的數量
char buf[];// 字節數組,用於保存字符串
};

例如,字符串“Redis”存儲示意圖為:

圖1

當前存儲字符串長度為5,未使用長度為0,字節數組存儲的字符為“Redis\0”。

這裏需要注意的是:內部數據數組存儲字符串形式符合C語言要求,以‘\0’結尾。且len字符串長度不包含結尾標識符‘\0’。

buf[]的這種遵循C語言形式的存儲,使得Redis可以直接使用C語言的相關字符串函數進行SDS對象的操作。

二、SDS的優勢

1、O(1)時間複雜度獲取字符串長度

SDS內部維護着一個字符串長度的len變量,可以直接讀取,時間複雜度為O(1)。

對於傳統的C字符串:字符+“\0”,想要獲取字符長度,則需要遍歷整個字符串,直到遇到結束字符,時間複雜度為O(n)。

2、緩衝區溢出規避

所謂緩衝區溢出即所需要的內存超出了實際的內存。因此對於C字符串來說,要特別注意內存分配,回收使用問題。

比如,向一個現有字符串內添加特定字符時,需要保證當前已經分配了這足夠的內存。 

圖2

與C不同的是,SDS的空間預分配策略可以避免緩衝區溢出發生,

當需要對SDS進行操作時,首先會檢查當前空間是否滿足需求,不足則擴展當前分配空間。內存檢查相對於C變成了內部預置操作。

3、減少內存重分配次數

上面我們講到過,C字符操作前都需要進行內存的分配操作,同時,操作完成后,也需要進行相應的內存回收操作。一次操作至少涉及一次內存分配操作。

大家都知道內存的重分配是一個比較複雜且需精細控制的過程,耗時耗資源。針對此弊端,Redis 在SDS內存配置策略上採用了空間預分配+惰性刪除相結合的策略。

a)空間預分配:

空間預分配用於優化SDS字符擴展操作。

所謂預分配,也即是說在一次擴展操作中,擴展的空間大小會大於實際需要的空間大小。
如下,圖1執行圖2操作后SDS變更為:

圖3 

預分配空間的大小基於以下規則計算:

SDS len<1M:分配len長度空間作為預分配空間;

SDS len>=1M:分配1M空間作為預分配空間;

這樣,在下次進行字符操作的時候,如果所需要的空間小於當前SDS free空間,則可以直接行操作,而不需要再執行內存擴展,重分配操作。

SDS的預分配機制使得一次擴展操作所需的內存重分配次數變為<=1。

b)惰性刪除機制

所謂惰性刪除,即調整刪除SDS中部分數據時,不會立刻執行內存重分配,而是會保留空出來內存,並更新內部free屬性。以備將來有字符擴展需求,可以直接使用。

當然,Redis也提供了主動釋放未使用內存的方法。

如下,刪除“ent”之後的SDS結構:

 圖4

SDS的內存分配機制,尤其對於以寫為主的應用場景,能夠提供更加優異的性能表現。

3、二進制安全

C字符串由於特殊的編碼要求只能保存文本數據。

SDS相關的功能方法會以二進制的形式來操作SDS存儲的數據,沒有任何中間操作,存儲最原始的數據,因此不會有字符層面的因素影響。

SDS可以保存任何源的二進制數據,字符、圖片、文件或者序列化的對象等等。

 

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