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淺析Redis數據結構

數據庫
作為一個使用ANSI C語言編寫開源的軟件,其內部的數據是如何組織和存儲的,本文結合源碼圍繞以下內容介紹,以便對源碼感興趣的同仁開啟學習。

Labs 導讀

Redis ( Remote Dictionary Server)遠程字典服務,是一款通過Key-Value存儲的NoSql數據庫,數據緩存在內存中,支持網絡、可持久化日志,提供多種語言的API,常用的場景有高速緩存、分布式數據共享、分布式鎖、限流和消息隊列等。通常項目研發中,結合springframework封裝的RedisTemplate API使用。

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Part 01、 環境搭建 

● 操作系統:CentOS7

● 集成環境:CLion

● 編譯環境:GCC9

● 代碼版本:redis-6.2.6

1.1 環境安裝

操作系統和集成環境的可自行安裝。由于Centos 7默認gcc版本較低,因此需要升級GCC版本,通過如下命令可完成編譯環境的升級:

# 安裝centos-release-scl
% yum -y install centos-release-scl
# 安裝devtoolset GGC9
% yum -y install devtoolset-9-gcc devtoolset-9-gcc-c++ devtoolset-9-binutils
# 激活對應的devtoolset
% echo “source /opt/rh/devtoolset-9/enable” >> /etc/profile
# 查看版本
% gcc -v

1.2 編譯和運行

從官方網站下載源碼,解壓,編譯和運行。

% wget http://download.redis.io/releases/redis-6.2.6.tar.gz
% tar -zxvf redis-6.2.6.tar.gz -C  /home/jay/redis/redis-6.2.6/ && rm -rf redis-6.2.6.tar.gz
% cd  /home/jay/redis/redis-6.2.6/
% make
% make install
# 啟動Redis
% cd src
% ./redis-server
# 驗證
% cd src
% ./redis-cli

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使用Clion建立C工程,并導入源代碼,確保GCC9是對應的編譯環境,以調試模式啟動“redis-server”模塊,使用“redis-cli”客戶端連接服務端,設置斷點,鍵入相應的命令進行調試。

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Part 02、  數據庫的組織結構  

首先從宏觀層面了解數據庫的結構及組織關系。redisDB,dict,dictht,dictEntry,

redisObject等相關數據庫結構定義在server.h, dict.h,sds.h和zipList.h等頭文件中。

//server.h
typedef struct redisDb {
    dict *dict;                 /* The keyspace for this DB */
    dict *expires;              /* Timeout of keys with a timeout set */
    dict *blocking_keys;        /* Keys with clients waiting for data (BLPOP)*/
    dict *ready_keys;           /* Blocked keys that received a PUSH */
    dict *watched_keys;         /* WATCHED keys for MULTI/EXEC CAS */
    int id;                     /* Database ID */
    long long avg_ttl;          /* Average TTL, just for stats */
    unsigned long expires_cursor; /* Cursor of the active expire cycle. */
    list *defrag_later;         /* List of key names to attempt to defrag one by one, gradually. */
} redisDb;

下圖通過UML類圖的方式,梳理各個數據結構之間的組織關系。

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通過上圖,可以了解到如下內容:

(1) RedisDB可有多個,通過“redis.conf”中的“databases”參數進行配置,默認是16個;

(2) 每個RedisDB有兩個"dictht"哈希表組成,分別是ht[0]和ht[1],這樣做的目的是為了rehash,主要解決擴容和縮容的問題,通過ht[0]和ht[1]相互搬遷數據完成rehash工作,而且每次命令只搬遷一個索引下面的數據,減少系統操作時間,避免因數據量過大而影響性能;其實現在“dict.c”的dictRehash函數中。

(3) HASH表中存儲的每個元素是“dictEntry”結構組成的鏈表。通過鏈式,解決兩個key的哈希值正好落在同一個哈希桶中的哈希沖突問題。

int dictRehash(dict *d, int n) {
    int empty_visits = n*10; /* Max number of empty buckets to visit. */
    if (!dictIsRehashing(d)) return 0;
    while(n-- && d->ht[0].used != 0) {
        dictEntry *de, *nextde;
        /* Note that rehashidx can't overflow as we are sure there are more
         * elements because ht[0].used != 0 */
        assert(d->ht[0].size > (unsigned long)d->rehashidx);
        while(d->ht[0].table[d->rehashidx] == NULL) {
            d->rehashidx++;
            if (--empty_visits == 0) return 1;
        }
      /*在HASH桶中找到非空的索引后,開始鏈表的數據移動工作*/
        de = d->ht[0].table[d->rehashidx];
        /* Move all the keys in this bucket from the old to the new hash HT */
        while(de) {
            uint64_t h;
            nextde = de->next;
            /* 在新的hash表中找到對應鍵值的索引 */
            h = dictHashKey(d, de->key) & d->ht[1].sizemask;
            /* 把要增加的數據放在新的hash表對應索引鏈表的開始 */
            de->next = d->ht[1].table[h];
            d->ht[1].table[h] = de;
            /* 更新計數器 */
            d->ht[0].used--;
            d->ht[1].used++;
             /* 鏈表中的下一個Node */
            de = nextde;
        }
         /* 因數據已完成移動,因此清空老的hash表對應的桶 */
        d->ht[0].table[d->rehashidx] = NULL;
         /* 指向下一個桶 */
        d->rehashidx++;
    }
/* 如果已經rehashed了所有的表,釋放HT[0]的表空間,將HT[1]設置為當前的表,重置HT[1] */
    if (d->ht[0].used == 0) {
        zfree(d->ht[0].table);
        d->ht[0] = d->ht[1];
        _dictReset(&d->ht[1]);
        d->rehashidx = -1;
        return 0;
    }
    /* More to rehash... */
    return 1;
}

(4) “dictEntry”中的"key"由sds(簡單動態字符串)結構組成。redis根據數據的長度,定義了不同類型的sds結構。例如:sdshdr8,sdshdr16,sdshdr32,sdshdr64;這樣的結構定義,既節省了空間,也解決了二進制安全(例如C語言的‘\0’)和緩沖區溢出(通過alloc-len可計算剩余空間)等問題。

//SDS.H
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr8 {
    uint8_t len; /* used */
    uint8_t alloc; /* excluding the header and null terminator */
    unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits */
    char buf[];
};
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr16 {
    uint16_t len; /* used */
    uint16_t alloc; /* excluding the header and null terminator */
    unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits */
    char buf[];
};

(5) redis有“STRING, LIST,SET,ZSET,HASH,MODULE,STREAM”七種數據類型;有“sds, quicklist,ziplist,dict,zskiplist,stream”七種底層數據結構;每種數據類型根據存儲數據的大小,多少等,分別由不同的底層數據結構實現。例如list數據類型,由“quicklist,ziplist”分別實現;HASH數據類型,由“dict,ziplist”分別實現。

(6) dictEntry”中的"*val"指向redisObject"結構,此結構中“redisObject->type”存儲的是數據類型;“redisObject->encoding”存儲的是底層的數據結構類型;redisObject->ptr”存儲具體的數據;相應的實現在“object.c”中。

//object.c
robj *createQuicklistObject(void) {
    quicklist *l = quicklistCreate();
    robj *o = createObject(OBJ_LIST,l);
    o->encoding = OBJ_ENCODING_QUICKLIST;
    return o;
}
robj *createZiplistObject(void) {
    unsigned char *zl = ziplistNew();
    robj *o = createObject(OBJ_LIST,zl);
    o->encoding = OBJ_ENCODING_ZIPLIST;
    return o;
}
robj *createSetObject(void) {
    dict *d = dictCreate(&setDictType,NULL);
    robj *o = createObject(OBJ_SET,d);
    o->encoding = OBJ_ENCODING_HT;
    return o;
}
robj *createIntsetObject(void) {
    intset *is = intsetNew();
    robj *o = createObject(OBJ_SET,is);
    o->encoding = OBJ_ENCODING_INTSET;
    return o;
}
robj *createHashObject(void) {
    unsigned char *zl = ziplistNew();
    robj *o = createObject(OBJ_HASH, zl);
    o->encoding = OBJ_ENCODING_ZIPLIST;
    return o;
}

Part 03、 源碼調試 

3.1 入口

正如所有的C代碼一樣,入口是service.c中的main函數。

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3.2 redis命令入口

所有的redis命令定義在“redisCommandTable”數組中,類型為"redisCommand",通過函數指針的方式調用。例如下圖中的Get和Set命令。

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Part 04、 總結 

以上分別從環境搭建,數據庫的結構組織關系和源碼調試進行了介紹,如果你對redis源代碼感興趣,行動起來吧!

責任編輯:龐桂玉 來源: 移動Labs
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