Redis數(shù)據(jù)結構之鏈表與字典的使用

今天我們來聊一聊Redis中的鏈表與字典，具體如下：

鏈表

關于鏈表的基礎概念其實你在學習Redis之前一定積累了不少，所以本文將默認你已經(jīng)掌握了鏈表相關的基礎知識，而Redis的鏈表其實也就是普通的鏈表~

因為Redis是使用C語言編寫的，因此Redis的數(shù)據(jù)結構的定義都是使用C語法定義的，你不需要完全理解下方C語言聲明結構體的語法，但我認為依靠大家的Java知識也能理解這就像是在Java中定義了一個鏈表對象

Redis鏈表節(jié)點的結構

typedef struct listNode {
	struct listNode *prev;	//指向前一個鏈表節(jié)點
	struct listNode *next;	//指向后一個鏈表節(jié)點
	void *value;			//當前節(jié)點的值(可以按需設定不同數(shù)據(jù)類型的value)
} listNode;

很明顯，當每一個節(jié)點內記錄了前后兩個節(jié)點位置之后，鏈表節(jié)點之間就能夠彼此前后相連，組成雙向通行車道（可以雙向遍歷）

Redis鏈表的表示

上面講解了Redis的鏈表的節(jié)點表示，并由此引申了一下可以借此構建Redis雙端鏈表，而事實上，對于每一個存在的雙端鏈表，Redis使用一個list結構來表示

typedef struct list {
	listNode *head;			//表頭節(jié)點
	listNode *tail;			//表尾節(jié)點
	unsigned long len;		//鏈表所包含的節(jié)點的數(shù)量
	void *(*dup)(void *ptr);	//節(jié)點復制函數(shù)
	void (*free)(void *ptr);	//節(jié)點釋放函數(shù)
	void (*match)(void *ptr, void *key);//節(jié)點值對比函數(shù)
} list;

很明顯，你看到三個好像是返回值為void的函數(shù)，但是看不懂C語法，沒關系，傳統(tǒng)后端功夫，自然是點到為止

Redis鏈表用在哪

我不想現(xiàn)在就告訴你，鏈表被廣泛用于實現(xiàn)Redis的各種功能，比如列表鍵、發(fā)布于訂閱、慢查詢、監(jiān)視器等，等我們后面講到這幾部分的時候，白澤再結合鏈表和你細說~

字典

和鏈表一樣，Redis所使用的C語言并沒有內置字典這種數(shù)據(jù)結構，因此Redis構建了自己的字典實現(xiàn)。如果你學過數(shù)據(jù)結構，你會發(fā)現(xiàn)Redis的字典事實上就是數(shù)據(jù)結構中的鄰接表，即使沒學過，往下看就好啦~

Redis字典結構總覽

數(shù)組 + 鏈表 ==> 鄰接表，實錘

Redis字典結構分解

還記得嗎，上面我們說Redis鏈表可以用list描述，但是鏈表存儲的數(shù)據(jù)本質上，是由一系列l(wèi)istNode節(jié)點通過前后指針相連存儲的；類似的，Redis字典可以用如下dict描述，但是字典存儲的數(shù)據(jù)本質上，是由數(shù)組 + 若干鏈表組合得到的數(shù)據(jù)結構存儲的，字典dict結構如下：

typedef struct dict {
	dictType *type;			//類型特定函數(shù)
	void *privdata;			//私有數(shù)據(jù)
	dictht ht[2];			//哈希表數(shù)組
	int trehashidx;			//rehash索引，當rehash不在進行時，值為-1
} dict;

現(xiàn)在你只需要關注其中的哈希表數(shù)組ht[2]，它的數(shù)據(jù)類型為dictht，因此也是一種復合的數(shù)據(jù)結構，如下：

typedef struct dictht {
	dictEntry **table;		//哈希表數(shù)組
	unsigned long size;		//哈希表大小
	unsigned long sizemax;	//哈希表大小掩碼，用于計算索引值，等于size - 1
	unsigned long used;		//該哈希表已有節(jié)點的數(shù)量
} dictht;

哈希表dictht是Redis字典的核心，dictht的四個屬性中，size、sizemax、used都是用于描述table屬性整體狀態(tài)?？吹竭@你就明白了，dictht的核心是dictEntry類型的table屬性（再次提醒，如果沒有C語言的基礎，本文中一切你看不懂的語法，包括數(shù)據(jù)類型，你只需要一眼帶過即可，我們的目的是學習Redis的設計思想）

table屬性是一個數(shù)組，數(shù)組中的每個元素都是一個指向dictEntry結構的指針，每個dictEntry結構保存一個鍵值對，并含有一個指向下一個dictEntry的指針，結構如下：

typedef struct dictEntry {
	void *key;	//鍵
	union {		//值（可以是一個指針，可以是一個uint64_t類型的整數(shù)，也可以是一個int64_t類型的整數(shù)）
		void *val;
		uint64_t u64;
		int64_t s64;
	} v;
	struct dictEntry *next;//指向下個哈希表節(jié)點，形成鏈表
} dictEntry;

哈希算法

我們知道，字典是用來存儲數(shù)據(jù)的，并且是以鍵值對的形式存儲的，那么我每次存入一個鍵值對放在字典的哪里？這就是哈希算法為你解決的事情：程序需要先根據(jù)鍵值對的鍵計算出哈希值和索引值，然后再根據(jù)索引值，將包含新鍵值對的哈希表節(jié)點放到哈希表數(shù)組的指定索引上面

比如我已經(jīng)有下面這個字典，然后要插入一個鍵值對數(shù)據(jù)：k1 : v1，則程序有如下計算過程：（用戶只是往Redis服務器中插入了一條數(shù)據(jù)，下面都是程序內部的工作~）

hash = dict->type->hashFunction(k1);		//計算k1鍵的hash值（得到某個數(shù)值）
index = hash  dict->ht[0].sizemask = 1;	//計算k1鍵插入位置的索引值

解決鍵沖突

鍵沖突：當不同的key值計算得到的dictEntry索引值相同時，就稱發(fā)生鍵沖突（我要插入的位置已經(jīng)被占用了，插入使得鏈表長度由1變多，當然第一次插入不算沖突）

解決方法：

就像上面我要插入一個k1 ：v1的鍵值對，并計算得到插入位置的索引為1（但是distEntry數(shù)組中索引為1的位置已經(jīng)有k0 ：v0鍵值對存放了），因此程序會在哈希表ht[0]的dictEntry數(shù)組的索引為1的位置上插入一個dictEntry節(jié)點，放在原本鏈表首部的前一位置（搶占首位），其中存放著k1 ： v1鍵值對，插入后的圖如下：

你可能疑惑新插入的鍵值對的位置在每個dictEntry鏈表的最前面，而不是尾部，原因是每個dictEntry中除了保存鍵值對之外，只記錄了下一個dictEntry的地址（上面我已經(jīng)給出了dictEntry的結構了~），程序無法直接得到dictEntry鏈表的最后一個節(jié)點，但可以直接得到第一個節(jié)點（通過dictEntry數(shù)組索引直接定位），因此每次插入的dictEntry節(jié)點（鍵值對）都將直接插入到對應索引的鏈表的頭部（因此dictEntry數(shù)組的內容是不斷在變的）

一句話來說：distEntry數(shù)組幫助使用索引定位，distEntry鏈表，用于處理沖突，不斷維護所存儲的鍵值對數(shù)據(jù)

rehash

隨著操作的不斷執(zhí)行（增、刪、改、查），哈希表保存的鍵值對會逐漸增多或者減少，為了讓哈希表的負載因子維持在一個合理范圍內，當哈希表保存的鍵值對數(shù)量太多或太少時，程序會對哈希表的大小進行相應的擴展或者收縮（不知道你是否記得還有一個哈希表ht[1]的存在，這個表就是為了和ht[0]配合進行rehash而存在的）

rehash步驟：

為字典的ht[1]哈希表分配空間

如果程序執(zhí)行擴展操作：

ht[1].size = 第一個大于等于ht[0].used * 2（ht[0]已經(jīng)使用的空間大小乘2）的2的n次方冪

如果程序執(zhí)行收縮操作：

ht[1].size = 第一個大于等于ht[0].used（ht[0]已經(jīng)使用的空間大小）的2的n次方冪

將保存在ht[0]上的鍵值對rehash到ht[1]上，因為size不同，所以是重新hash，而不是整體復制

當ht[0]內鍵值對全部遷移到ht[1]中后，釋放ht[0]，然后將ht[1]和ht[0]的互換（rehash結束），此時ht[0]就是一個rehash后的哈希表，而ht[1]依舊為空表，為下次rehash做準備

漸進式rehash

上面提到的在哈希表ht[0]的負載因子過大或者過小會觸發(fā)rehash，但是，事實上rehash遷移的過程不是一蹴而就的（很明顯，如果數(shù)據(jù)ht[0]的數(shù)據(jù)很多，每次rehash如果都遷移全部數(shù)據(jù)，需要花費較大時間等待，用戶在rehash期間訪問Redis服務器將會陷入無響應的狀態(tài)）

漸進式過程：

將rehash的過程分攤在后續(xù)的每次增、刪、改、查操作上，在rehash期間，每次對字典執(zhí)行操作，程序除了執(zhí)行指定操作外，還會順帶將ht[0]哈希表在rehashidx索引（從0開始，-1表示rehash未開始）上的所有鍵值對rehash到ht[1]，當每次局部rehash工作完成后，程序將rehashidx屬性的值增一

注意：每次對字典進行增、刪、改、查會在ht[0]和ht[1]上同時進行，比如查找一個鍵，則會現(xiàn)在ht[0]上查找，沒找到再去ht[1]上查找，諸如此類，除了增加操作每次都將直接hash到ht[1]上，不會對ht[0]執(zhí)行任何添加操作

到此這篇關于Redis數(shù)據(jù)結構之鏈表與字典的使用的文章就介紹到這了,更多相關Redis 鏈表與字典內容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章希望大家以后多多支持腳本之家！