Redis核心原理与实践--列表实现原理之quicklist结构

2022-07-23 08:48:10

在上一篇文章《Redis列表实现原理之ziplist结构》，我们分析了ziplist结构如何使用一块完整的内存存储列表数据。
同时也提出了一个问题：如果链表很长，ziplist中每次插入或删除节点时都需要进行大量的内存拷贝，这个性能是无法接受的。
本文分析quicklist结构如何解决这个问题，并实现Redis的列表类型。

quicklist的设计思想很简单，将一个长ziplist拆分为多个短ziplist，避免插入或删除元素时导致大量的内存拷贝。
ziplist存储数据的形式更类似于数组，而quicklist是真正意义上的链表结构，它由quicklistNode节点链接而成，在quicklistNode中使用ziplist存储数据。

提示：本文以下代码如无特殊说明，均位于quicklist.h/quicklist.c中。
本文以下说的“节点”，如无特殊说明，都指quicklistNode节点，而不是ziplist中的节点。

定义

quicklistNode的定义如下：

typedef struct quicklistNode {
    struct quicklistNode *prev;
    struct quicklistNode *next;
    unsigned char *zl;
    unsigned int sz;             
    unsigned int count : 16;  
    unsigned int encoding : 2; 
    unsigned int container : 2; 
    unsigned int recompress : 1;
    unsigned int attempted_compress : 1;
    unsigned int extra : 10; 
} quicklistNode;
  • prev、next：指向前驱节点，后驱节点。
  • zl：ziplist，负责存储数据。
  • sz：ziplist占用的字节数。
  • count：ziplist的元素数量。
  • encoding：2代表节点已压缩，1代表没有压缩。
  • container：目前固定为2，代表使用ziplist存储数据。
  • recompress：1代表暂时解压（用于读取数据等），后续需要时再将其压缩。
  • extra：预留属性，暂未使用。

当链表很长时，中间节点数据访问频率较低。这时Redis会将中间节点数据进行压缩，进一步节省内存空间。Redis采用是无损压缩算法—LZF算法。
压缩后的节点定义如下：

typedef struct quicklistLZF {
    unsigned int sz;
    char compressed[];
} quicklistLZF;
  • sz：压缩后的ziplist大小。
  • compressed：存放压缩后的ziplist字节数组。

quicklist的定义如下：

typedef struct quicklist {
    quicklistNode *head;
    quicklistNode *tail;
    unsigned long count;        
    unsigned long len;          
    int fill : QL_FILL_BITS;              
    unsigned int compress : QL_COMP_BITS;
    unsigned int bookmark_count: QL_BM_BITS;
    quicklistBookmark bookmarks[];
} quicklist;
  • head、tail：指向头节点、尾节点。
  • count：所有节点的ziplist的元素数量总和。
  • len：节点数量。
  • fill：16bit，用于判断节点ziplist是否已满。
  • compress：16bit，存放节点压缩配置。

quicklist的结构如图2-5所示。
Redis核心原理与实践--列表实现原理之quicklist结构

操作分析

插入元素到quicklist头部：

int quicklistPushHead(quicklist *quicklist, void *value, size_t sz) {
    quicklistNode *orig_head = quicklist->head;
    // [1]
    if (likely(
            _quicklistNodeAllowInsert(quicklist->head, quicklist->fill, sz))) {
        // [2]
        quicklist->head->zl =
            ziplistPush(quicklist->head->zl, value, sz, ZIPLIST_HEAD);
        // [3]
        quicklistNodeUpdateSz(quicklist->head);
    } else {
        // [4]
        quicklistNode *node = quicklistCreateNode();
        node->zl = ziplistPush(ziplistNew(), value, sz, ZIPLIST_HEAD);

        quicklistNodeUpdateSz(node);
        _quicklistInsertNodeBefore(quicklist, quicklist->head, node);
    }
    quicklist->count++;
    quicklist->head->count++;
    return (orig_head != quicklist->head);
}

参数说明：

  • value、sz：插入元素的内容与大小。

【1】判断head节点ziplist是否已满，_quicklistNodeAllowInsert函数中根据quicklist.fill属性判断节点是否已满。
【2】head节点未满，直接调用ziplistPush函数，插入元素到ziplist中。
【3】更新quicklistNode.sz属性。
【4】head节点已满，创建一个新节点，将元素插入新节点的ziplist中，再将该节点头插入quicklist中。

也可以在quicklist的指定位置插入元素：

REDIS_STATIC void _quicklistInsert(quicklist *quicklist, quicklistEntry *entry,
                                   void *value, const size_t sz, int after) {
    int full = 0, at_tail = 0, at_head = 0, full_next = 0, full_prev = 0;
    int fill = quicklist->fill;
    quicklistNode *node = entry->node;
    quicklistNode *new_node = NULL;
    ...
    // [1]
    if (!_quicklistNodeAllowInsert(node, fill, sz)) {
        full = 1;
    }

    if (after && (entry->offset == node->count)) {
        at_tail = 1;
        if (!_quicklistNodeAllowInsert(node->next, fill, sz)) {
            full_next = 1;
        }
    }

    if (!after && (entry->offset == 0)) {
        at_head = 1;
        if (!_quicklistNodeAllowInsert(node->prev, fill, sz)) {
            full_prev = 1;
        }
    }
    // [2]
    ...
}

参数说明：

  • entry：quicklistEntry结构，quicklistEntry.node指定元素插入的quicklistNode节点，quicklistEntry.offset指定插入ziplist的索引位置。
  • after：是否在quicklistEntry.offset之后插入。

【1】根据参数设置以下标志。

  • full：待插入节点ziplist是否已满。
  • at_tail：是否ziplist尾插。
  • at_head：是否ziplist头插。
  • full_next：后驱节点是否已满。
  • full_prev：前驱节点是否已满。

提示：头插指插入链表头部，尾插指插入链表尾部。

【2】根据上面的标志进行处理，代码较烦琐，这里不再列出。
这里的执行逻辑如表2-2所示。

条件 条件说明 处理方式
!full && after 待插入节点未满，ziplist尾插 再次检查ziplist插入位置是否存在后驱元素，如果不存在则调用ziplistPush函数插入元素（更快），否则调用ziplistInsert插入元素
!full && !after 待插入节点未满，非ziplist尾插 调用ziplistInsert函数插入元素
full && at_tail && node -> next && !full_next && after 待插入节点已满，尾插，后驱节点未满 将元素插入后驱节点ziplist中
full && at_head && node -> prev && !full_prev && !after 待插入节点已满，ziplist头插，前驱节点未满 将元素插入前驱节点ziplist中
full && ((at_tail && node -> next && full_next && after) ||(at_head && node->prev && full_prev && !after)) 待插入节点已满，尾插且后驱节点已满，或者头插且前驱节点已满 构建一个新节点，将元素插入新节点，并根据after参数将新节点插入quicklist中
full 待插入节点已满，并且在节点ziplist中间插入 将插入节点的数据拆分到两个节点中，再插入拆分后的新节点中

我们只看最后一种场景的实现：

    // [1]
    quicklistDecompressNodeForUse(node);
    // [2]
    new_node = _quicklistSplitNode(node, entry->offset, after);
    new_node->zl = ziplistPush(new_node->zl, value, sz,
                                after ? ZIPLIST_HEAD : ZIPLIST_TAIL);
    new_node->count++;
    quicklistNodeUpdateSz(new_node);
    // [3]
    __quicklistInsertNode(quicklist, node, new_node, after);
    // [4]
    _quicklistMergeNodes(quicklist, node);

【1】如果节点已压缩，则解压节点。
【2】从插入节点中拆分出一个新节点，并将元素插入新节点中。
【3】将新节点插入quicklist中。
【4】尝试合并节点。_quicklistMergeNodes尝试执行以下操作：

  • 将node->prev->prev合并到node->prev。
  • 将node->next合并到node->next->next。
  • 将node->prev合并到node。
  • 将node合并到node->next。
    合并条件：如果合并后节点大小仍满足quicklist.fill参数要求，则合并节点。
    这个场景处理与B+树的节点分裂合并有点相似。

quicklist常用的函数如表2-3所示。

函数 作用
quicklistCreate、quicklistNew 创建一个空的quicklist
quicklistPushHead，quicklistPushTail 在quicklist头部、尾部插入元素
quicklistIndex 查找给定索引的quicklistEntry节点
quicklistDelEntry 删除给定的元素

配置说明

  • list-max-ziplist-size：配置server.list_max_ziplist_size属性，该值会赋值给quicklist.fill。取正值，表示quicklist节点的ziplist最多可以存放多少个元素。例如，配置为5，表示每个quicklist节点的ziplist最多包含5个元素。取负值，表示quicklist节点的ziplist最多占用字节数。这时，它只能取-1到-5这五个值（默认值为-2），每个值的含义如下：
    -5：每个quicklist节点上的ziplist大小不能超过64 KB。
    -4：每个quicklist节点上的ziplist大小不能超过32 KB。
    -3：每个quicklist节点上的ziplist大小不能超过16 KB。
    -2：每个quicklist节点上的ziplist大小不能超过8 KB。
    -1：每个quicklist节点上的ziplist大小不能超过4 KB。
  • list-compress-depth：配置server.list_compress_depth属性，该值会赋值给quicklist.compress。
    0：表示节点都不压缩，Redis的默认配置。
    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。
    以此类推。

编码

ziplist由于结构紧凑，能高效使用内存，所以在Redis中被广泛使用，可用于保存用户列表、散列、有序集合等数据。
列表类型只有一种编码格式OBJ_ENCODING_QUICKLIST，使用quicklist存储数据（redisObject.ptr指向quicklist结构）。列表类型的实现代码在t_list.c中，读者可以查看源码了解实现更多细节。

总结

  • ziplist是一种结构紧凑的数据结构，使用一块完整内存存储链表的所有数据。
  • ziplist内的元素支持不同的编码格式，以最大限度地节省内存。
  • quicklist通过切分ziplist来提高插入、删除元素等操作的性能。
  • 链表的编码格式只有OBJ_ENCODING_QUICKLIST。

本文内容摘自作者新书《Redis核心原理与实践》，这本书深入地分析了Redis常用特性的内部机制与实现方式，大部分内容源自对Redis源码的分析，并从中总结出设计思路、实现原理。通过阅读本书，读者可以快速、轻松地了解Redis的内部运行机制。
经过该书编辑同意，我会继续在个人技术公众号（binecy）发布书中部分章节内容，作为书的预览内容，欢迎大家查阅，谢谢。

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