Redis之字典

2021-08-03 08:49:41

一、概述

字典，又称为符号表（symbol table）、关联数组（associativearray）或映射（map），是一种用于保存键值对（key-value pair）的抽象数据结构。

在字典中，一个键（key）可以和一个值（value）进行关联（即键映射为值），这些关联的键和值就称为键值对。字典中的每个键都是独一无二的。

字典在Redis中的应用相当广泛，比如Redis的数据库就是使用字典来作为底层实现的，对数据库的增、删、查、改操作也是构建在对字典的操作之上的。

二、字典的实现

Redis的字典使用哈希表作为底层实现，一个哈希表里面可以有多个哈希表节点，而每个哈希表节点就保存了字典中的一个键值对。

2.1 哈希表

Redis字典所使用的哈希表结构定义如下所示，Hash表由哈希函数以及key值计算索引位置。

typedef struct dictht {
    // 哈希表数组
    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
    unsigned long sizemask;

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

上述结构中：

table属性是一个数组，数组中的每个元素都是一个指向哈希表节点的指针，每个哈希表节点都保存着一个键值对。
size属性记录了哈希表的大小，也即table数组的大小。
used属性记录了哈希表目前已有节点的数量。
sizemask属性的值总是等于size-1,这个属性和哈希值一起决定一个键应该被放到table数组的哪个索引上。

2.2 哈希表节点

哈希表节点结构如下所示，每个哈希表节点都保存着一个键值对。

typedef struct dictEntry {
    // 键
    void *key;

    // 值
    union{
        void *val;
        uint64_tu64;
        int64_ts64;
    } v;

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

哈希表节点结构中：

key属性保存键值对中的键
v属性保存键值对中的值，其中键值对的值可以是一个指针，或者是一个uint64_t整数，或者是一个int64_t整数
next属性是指向另一个哈希表节点的指针，这个指针可以将多个哈希值相同的键值对连接在一起，以此来解决键冲突（collision）的问题

如下图，是通过next指针，将两个索引值相同的键k1和k0连接在一起：

2.3 字典

Redis中的字典由dict.h/dict结构表示如下：

typedef struct dict {
    // 类型特定函数
    dictType *type;

    // 私有数据
    void *privdata;

    // 哈希表
    dictht ht[2];

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

} dict;

type属性是一个指向dictType结构的指针，每个dictType结构保存了一簇用于操作特定类型键值对的函数，Redis会为用途不同的字典设置不同的类型特定函数。
privdata属性则保存了需要传给那些类型特定函数的可选参数
ht属性是一个包含两个项的数组，每个项都是一个dictht哈希表，一般只使用ht[0]哈希表。
rehashidx属性记录了rehash目前的进度

dicType结构如下：

typedef struct dictType {
    // 计算哈希值的函数
    unsigned int (*hashFunction)(const void *key);

    // 复制键的函数
    void *(*keyDup)(void *privdata, const void *key);

    // 复制值的函数
    void *(*valDup)(void *privdata, const void *obj);

    // 对比键的函数
    int (*keyCompare)(void *privdata, const void *key1, const void *key2);

    // 销毁键的函数
    void (*keyDestructor)(void *privdata, void *key);

    // 销毁值的函数
    void (*valDestructor)(void *privdata, void *obj);

} dictType;

普通状态下的字典如下所示：

三、哈希算法

当要将一个新的键值对添加到字典里面时，程序需要先根据键值对的键计算出哈希值和索引值，然后再根据索引值，将包含新键值对的哈希表节点放到哈希表数组的指定索引上面。

示例：

如要将一个键值对k0-v0添加到字典中，首先程序使用哈希函数利用键值对的键k0计算出k0的哈希值：

hash = dict->type->hashFunction(k0);

假设得到的哈希值为8，然后使用哈希表的sizemask属性和哈希值，计算出索引值：

index = hash&dict->ht[0].sizemask = 8 & 3 = 0;

计算出键k0的索引值0，这表示包含键值对k0和v0的节点应该被放置到哈希表数组的索引0位置上，如下图所示：

当字典被用作数据库的底层实现，或者哈希键的底层实现时，Redis使用MurmurHash2算法来计算键的哈希值。

四、键冲突

当有两个或以上数量的键被分配到了哈希表数组的同一个索引上面时，我们称这些键发生了冲突（collision）。

Redis的哈希表使用链地址法（separate chaining）来解决键冲突，每个哈希表节点都有一个next指针，多个哈希表节点可以用next指针构成一个单向链表，被分配到同一个索引上的多个节点可以用这个单向链表连接起来，这就解决了键冲突的问题。如下图：

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