Redis 设计与实现 6：五大数据类型之列表

2023-01-31 22:14:39

列表对象有 3 种编码：ziplist、linkedlist、quicklist。

  • ziplist 和 linkedlist 是 3.2 版本之前的编码。
  • quicklist 是 3.2 版本新增的编码，ziplist 和 linkedlist 在 3.2 版本及后续版本将不再是列表对象的编码。

编码定义如下(server.h)：

#define OBJ_ENCODING_LINKEDLIST 4
#define OBJ_ENCODING_ZIPLIST 5
#define OBJ_ENCODING_QUICKLIST 9

虽然 ziplist 和 linkedlist 不再被列表对象作为编码，但是我们还是有必要了解的。因为 quicklist 也是基于 ziplist 和 linkedlist 改良的。

ziplist

压缩列表 ziplist 在之前的文章 Redis 设计与实现 5：压缩列表 ziplist 有介绍过，结构如下：
Redis 设计与实现 6：五大数据类型之列表

我们使用命令操作列表的元素的时候，实际上就是在操作 entry 的数据。下面我们来举个栗子：

redis> RPUSH list_key 1 "ab" "d"

如果 list_key 用 ziplist 编码，那么结构如下图：
Redis 设计与实现 6：五大数据类型之列表

linkedlist

链表 linkedlist 的数据结构如下(adlist.h)，跟普通的链表差不多：

typedef struct list {
    // 头结点
    listNode *head;
    // 尾节点
    listNode *tail;
    // 复制链表节点的值
    void *(*dup)(void *ptr);
    // 释放链表节点的值
    void (*free)(void *ptr);
    // 对比链表节点所保存的值跟输入的值是否相等
    int (*match)(void *ptr, void *key);
    // 链表包含的节点数
    unsigned long len;
} list;

链表节点的结构也很简单：

typedef struct listNode {
    // 前置节点
    struct listNode *prev;
    // 后置节点
    struct listNode *next;
    // 当前节点的值
    void *value;
} listNode;

结构示意图如下：
Redis 设计与实现 6：五大数据类型之列表
数据将存储在 listNode 的 value 中，数据是一个字符串对象，用 redisObject 包裹着 sds。
例如可能是 embstr 编码的 sds ：
Redis 设计与实现 6：五大数据类型之列表

下面我们来举个栗子：

redis> RPUSH list_key 1 "ab" "d"

假如 list_key 的编码是 linkedlist，那么结构如下图：
Redis 设计与实现 6：五大数据类型之列表

quicklist

快速列表 quicklist 是 3.2 版本新添加的编码类型，结合了 ziplist 和 linkedlist 的一种编码。
同时在 3.2 版本中，列表也废弃了 ziplist 和 linkedlist。

通过上面的介绍，我们可以看出。双向链表的内存开销很大，每个节点的地址不连续，容易产生内存碎片，quicklist 利用 ziplist减少节点数量，但 ziplist 插入和删除数都很麻烦，复杂度高，为避免长度较长的 ziplist修改时带来的内存拷贝开销，通过配置项配置合理的 ziplist长度。

quicklist 的结构如下：
Redis 设计与实现 6：五大数据类型之列表
从上图可以看出，quicklist 跟 linkedlist 最大的不同就是，quicklist 的值指向的是 ziplist！ziplist 可比之前的 redisObject 节省了非常多的内存！
从另一个角度看，他就是把一个长的 ziplist 切割成多个小的 ziplist。

代码实现在 quicklist.h:

typedef struct quicklist {
    quicklistNode *head;
    quicklistNode *tail;
    // 所有 ziplist 中所有的节点数
    unsigned long count;
    // quicklistNode 的数量
    unsigned long len;
    // 限定 ziplist 的最大大小，可通过配置文件配置
    int fill : QL_FILL_BITS;
    // 压缩程度，0 表示不压缩，可通过配置文件配置
    unsigned int compress : QL_COMP_BITS;
    // ...
} quicklist;

配置一：fill (控制 ziplist 大小)

太长的 ziplist 增删的复杂度高，所以 quicklist 用 fill 参数来控制 ziplist 的大小，它是通过配置文件的list-max-ziplist-size配置。

  • 当数字为正数，表示：每个节点的 ziplist 最多包含的 entry 个数。
  • 当数字为负数：
    • -1：每个节点的 ziplist 字节大小不能超过4kb
    • -2：每个节点的 ziplist 字节大小不能超过8kb (redis默认值)
    • -3：每个节点的 ziplist 字节大小不能超过16kb
    • -4：每个节点的 ziplist 字节大小不能超过32kb
    • -5：每个节点的 ziplist 字节大小不能超过64kb

配置二：compress (控制压缩程度)

因为链表的特性，一般首尾两端操作较频繁，中部操作相对较少，所以 redis 提供压缩深度配置：list-compress-depth，也就是属性 compress 。

  • 0：表示都不压缩。这是Redis的默认值。
  • 1：表示 quicklist 两端各有1个节点不压缩，中间的节点压缩。
  • 2：表示 quicklist 两端各有2个节点不压缩，中间的节点压缩。
  • 3：表示 quicklist 两端各有3个节点不压缩，中间的节点压缩。

quicklist 节点

typedef struct quicklistNode {
    struct quicklistNode *prev;
    struct quicklistNode *next;
    // 不设置压缩数据参数 recompress 时指向一个 ziplist 结构
    // 设置压缩数据参数recompress 时指向 quicklistLZF 结构
    unsigned char *zl;
    // ziplist 的字节数
    unsigned int sz;
    // ziplist 中包含的节点数量
    unsigned int count : 16;
    // 编码。1 表示压缩过，2 表示没压缩
    unsigned int encoding : 2;
    unsigned int container : 2;  /* NONE==1 or ZIPLIST==2 */
    // 标记 quicklist 节点的 ziplist 之前是否被解压缩过
    // 如果recompress 为 1，则等待被再次压缩
    unsigned int recompress : 1;
    // ...
} quicklistNode;

压缩过的 ziplist 结构

typedef struct quicklistLZF {
    // 表示被 LZF 算法压缩后的 ziplist 的大小
    unsigned int sz;
    // 压缩后的 ziplist 的数组，柔性数组
    char compressed[];
} quicklistLZF;

quick 的常用操作

1. 插入

(1) quicklist 可以在头部或者尾部插入数据：quicklist.c/quicklistPushHead、quicklist.c/quicklistPushTail，我们就挑一个从头部插入的代码来看看吧(插入尾部的代码也是差不多的)(代码格式略微调整了一下)：

int quicklistPushHead(quicklist *quicklist, void *value, size_t sz) {
    quicklistNode *orig_head = quicklist->head;
    // 判断头结点上的 ziplist 大小是否没超过限制
    if (likely(_quicklistNodeAllowInsert(quicklist->head, quicklist->fill, sz))) {
    	// 没超过限制，就插入到 ziplist 中。ziplistPush 是 ziplist.c 的方法
        quicklist->head->zl = ziplistPush(quicklist->head->zl, value, sz, ZIPLIST_HEAD);
        quicklistNodeUpdateSz(quicklist->head);
    } else {
    	// ziplist 超过大小限制，则创新创建一个新的 quicklistNode
        quicklistNode *node = quicklistCreateNode();
        // 再创建新的 ziplist，然后把 ziplist 放到节点中
        node->zl = ziplistPush(ziplistNew(), value, sz, ZIPLIST_HEAD);
        quicklistNodeUpdateSz(node);
        // 新的 quicklistNode 插入原来的头结点上，成为新的头结点
        _quicklistInsertNodeBefore(quicklist, quicklist->head, node);
    }
    quicklist->count++;
    quicklist->head->count++;
    return (orig_head != quicklist->head);
}

(2) quicklist 也可以从任意指定的位置插入：quicklist.c/_quicklistInsert，实现相对来说比较复杂，我们就用文字说明(代码太长，感兴趣的读者自己去读吧)：

  • 当前节点是 NULL：创建一个新的节点，插入就好。
  • 当前节点的 ziplist 大小没有超过限制时：直接插入到 ziplist 就好。
  • 当前节点的 ziplist 大小超过限制时：
    • 如果插入的位置是 ziplist 的两端：
      • 如果相邻的节点的 ziplist 大小没有超过限制，那么就插入到相邻节点的 ziplist 中。
      • 如果相邻的节点的 ziplist 大小也超过限制，这时需要创建一个新的节点插入。
    • 如果插入的位置是 ziplist 的中间：
      则需要把当前 ziplist 从插入位置 分裂 (_quicklistSplitNode) 为两个节点，然后把数据插入第二个节点上。

2. 查找

quicklist 支持通过 index 查找元素：quicklist.c/quicklistIndex。
查找的本质就是遍历，先查看quicklistNode 的长度判断 index 是否在这个节点中，如果不是则跳到下个节点。
当定位到节点之后，对节点里面的 ziplist 进行遍历查找 (ziplistIndex)。

3 删除

(1) 指定值的删除，quicklist.c/quicklistDelEntry
这个指定的值的信息 quicklistEntry 的结构如下：

typedef struct quicklistEntry {
    // 指向当前 quicklist 的指针
    const quicklist *quicklist;
    // 指向当前 quicklistNode 节点的指针
    quicklistNode *node;
    // 指向当前 ziplist 的指针
    unsigned char *zi;
    // 指向当前 ziplist 的字符串 vlaue 成员
    unsigned char *value;
    // 当前 ziplist 的整数 value 成员
    long long longval;
    // 当前 ziplist 的字节数大小
    unsigned int sz;
    // 在 ziplist 的偏移量
    int offset;
} quicklistEntry;

具体的删除代码如下(做了一些删减)：

void quicklistDelEntry(quicklistIter *iter, quicklistEntry *entry) {
    quicklistNode *prev = entry->node->prev;
    quicklistNode *next = entry->node->next;
    // 通过 quicklistEntry 可以定位到 ziplist 中的元素位置，然后进行删除
    // quicklist -> quicklistNode -> ziplist -> ziplistEntry
    int deleted_node = quicklistDelIndex((quicklist *)entry->quicklist, entry->node, &entry->zi);
    // 下面是迭代器的参数调整，此处忽略...
}

(2) 区间元素 index 删除： quicklist.c/quicklistDelRange(代码太长了，就不晾出来了)
先通过遍历找元素，会判断是否可以删除整个节点 entry.offset == 0 && extent >= node->count，可以的话不用遍历里面的ziplist直接删除整个节点。
否则计算出当前节点ziplist 要删除的范围，通过 ziplistDeleteRange 函数删除。

重点回顾

  • 列表对象有 3 种编码：ziplist、linkedlist、quicklist。
  • quicklist 是 3.2 后新增的用于替代 ziplist 和 linkedlist 的编码。
  • ziplist 节省内存，但是太长的话性能低下。linkedlist 占用内存太多。
  • quicklist 可以看成由多个 ziplist 组成的 linkedlist，性能高，节省内存。
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