Redis数据结构——quicklist

2019/04/10 10:10
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之前的文章我们曾总结到了Redis数据结构——链表Redis数据结构——压缩列表这两种数据结构,他们是Redis List(列表)对象的底层实现方式。但是考虑到链表的附加空间相对太高,prev 和 next 指针就要占去 16 个字节 (64bit 系统的指针是 8 个字节),另外每个节点的内存都是单独分配,会加剧内存的碎片化,影响内存管理效率。因此Redis3.2版本开始对列表数据结构进行了改造,使用 quicklist 代替了 ziplist 和 linkedlist.

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一、基本结构

    quicklist 实际上是 zipList 和 linkedList 的混合体,它将 linkedList 按段切分,每一段使用 zipList 来紧凑存储,多个 zipList 之间使用双向指针串接起来。

typedef struct quicklistNode {
    struct quicklistNode *prev; //上一个node节点
    struct quicklistNode *next; //下一个node
    unsigned char *zl;            //保存的数据 压缩前ziplist 压缩后压缩的数据
    unsigned int sz;             /* ziplist size in bytes */
    unsigned int count : 16;     /* count of items in ziplist */
    unsigned int encoding : 2;   /* RAW==1 or LZF==2 */
    unsigned int container : 2;  /* NONE==1 or ZIPLIST==2 */
    unsigned int recompress : 1; /* was this node previous compressed? */
    unsigned int attempted_compress : 1; /* node can't compress; too small */
    unsigned int extra : 10; /* more bits to steal for future usage */
} quicklistNode;
  • prev: 指向链表前一个节点的指针。
  • next: 指向链表后一个节点的指针。
  • zl: 数据指针。如果当前节点的数据没有压缩,那么它指向一个ziplist结构;否则,它指向一个quicklistLZF结构。
  • sz: 表示zl指向的ziplist的总大小(包括zlbytes, zltail, zllen, zlend和各个数据项)。需要注意的是:如果ziplist被压缩了,那么这个sz的值仍然是压缩前的ziplist大小。
  • count: 表示ziplist里面包含的数据项个数。这个字段只有16bit。稍后我们会一起计算一下这16bit是否够用。
  • encoding: 表示ziplist是否压缩了(以及用了哪个压缩算法)。目前只有两种取值:2表示被压缩了(而且用的是LZF压缩算法),1表示没有压缩。
  • container: 是一个预留字段。本来设计是用来表明一个quicklist节点下面是直接存数据,还是使用ziplist存数据,或者用其它的结构来存数据(用作一个数据容器,所以叫container)。但是,在目前的实现中,这个值是一个固定的值2,表示使用ziplist作为数据容器。
  • recompress: 当我们使用类似lindex这样的命令查看了某一项本来压缩的数据时,需要把数据暂时解压,这时就设置recompress=1做一个标记,等有机会再把数据重新压缩。
  • attempted_compress: 这个值只对Redis的自动化测试程序有用。我们不用管它。
  • extra: 其它扩展字段。目前Redis的实现里也没用上。
typedef struct quicklistLZF {
    unsigned int sz; /* LZF size in bytes*/
    char compressed[];
} quicklistLZF;

quicklistLZF结构表示一个被压缩过的ziplist。其中:

  • sz: 表示压缩后的ziplist大小。
  • compressed: 是个柔性数组(flexible array member),存放压缩后的ziplist字节数组。
typedef struct quicklist {
    quicklistNode *head;
    quicklistNode *tail;
    unsigned long count;        /* total count of all entries in all ziplists */
    unsigned long len;          /* number of quicklistNodes */
    int fill : QL_FILL_BITS;              /* fill factor for individual nodes */
    unsigned int compress : QL_COMP_BITS; /* depth of end nodes not to compress;0=off */
    unsigned int bookmark_count: QL_BM_BITS;
    quicklistBookmark bookmarks[];
} quicklist;
  • head: 指向头节点(左侧第一个节点)的指针。
  • tail: 指向尾节点(右侧第一个节点)的指针。
  • count: 所有ziplist数据项的个数总和。
  • len: quicklist节点的个数。
  • fill: 16bit,ziplist大小设置,存放list-max-ziplist-size参数的值。
  • compress: 16bit,节点压缩深度设置,存放list-compress-depth参数的值。

二、常用操作

2.1 插入

quicklist可以选择在头部或者尾部进行插入(quicklistPushHeadquicklistPushTail),而不管是在头部还是尾部插入数据,都包含两种情况:

  • 如果头节点(或尾节点)上ziplist大小没有超过限制(即_quicklistNodeAllowInsert返回1),那么新数据被直接插入到ziplist中(调用ziplistPush)。
  • 如果头节点(或尾节点)上ziplist太大了,那么新创建一个quicklistNode节点(对应地也会新创建一个ziplist),然后把这个新创建的节点插入到quicklist双向链表中。

也可以从任意指定的位置插入。quicklistInsertAfterquicklistInsertBefore就是分别在指定位置后面和前面插入数据项。这种在任意指定位置插入数据的操作,要比在头部和尾部的进行插入要复杂一些。

  • 当插入位置所在的ziplist大小没有超过限制时,直接插入到ziplist中就好了;
  • 当插入位置所在的ziplist大小超过了限制,但插入的位置位于ziplist两端,并且相邻的quicklist链表节点的ziplist大小没有超过限制,那么就转而插入到相邻的那个quicklist链表节点的ziplist中;
  • 当插入位置所在的ziplist大小超过了限制,但插入的位置位于ziplist两端,并且相邻的quicklist链表节点的ziplist大小也超过限制,这时需要新创建一个quicklist链表节点插入。
  • 对于插入位置所在的ziplist大小超过了限制的其它情况(主要对应于在ziplist中间插入数据的情况),则需要把当前ziplist分裂为两个节点,然后再其中一个节点上插入数据。

2.2 查找

list的查找操作主要是对index的我们的quicklist的节点是由一个一个的ziplist构成的每个ziplist都有大小。所以我们就只需要先根据我们每个node的个数,从而找到对应的ziplist,调用ziplist的index就能成功找到。

2.3 删除

区间元素删除的函数是 quicklistDelRange

quicklist 在区间删除时,会先找到 start 所在的 quicklistNode,计算删除的元素是否小于要删除的 count,如果不满足删除的个数,则会移动至下一个 quicklistNode 继续删除,依次循环直到删除完成为止。

quicklistDelRange 函数的返回值为 int 类型,当返回 1 时表示成功的删除了指定区间的元素,返回 0 时表示没有删除任何元素。

2.4 其它

除了上面介绍的基本操作之外还有一些其它操作,大家可以尝试着根据链表和压缩列表的数据结构来分析一些quicklist这些操作的时间复杂度。

操作 时间复杂度
quicklistCreate:创建 quicklist
quicklistInsertAfter:在某个元素的后面添加数据
quicklistInsertBefore:在某个元素的前面添加数据
quicklistReplaceAtIndex:替换某个元素
quicklistDelEntry:删除单个元素
quicklistDelRange:删除区间元素
quicklistPushHead:头部插入元素
quicklistPushTail:尾部插入元素

小结

    Redis quicklist是Redis 3.2版本以后针对链表和压缩列表进行改造的一种数据结构,是 zipList 和 linkedList 的混合体,相对于链表它压缩了内存。进一步的提高了效率。

如果你有什么疑问,欢迎在评论区给我留言和分享,我会第一时间反馈!我们一起共同学习与进步!

参考

《Redis设计与实现》

《Redis开发与运维》

《Redis官方文档》

-----END-----

原文出处:https://www.cnblogs.com/hunternet/p/12624691.html

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