Redis中内部数据结构ziplist的作用是什么
本篇文章为大家展示了redis中内部数据结构ziplist的作用是什么，内容简明扼要并且容易理解，绝对能使你眼前一亮，通过这篇文章的详细介绍希望你能有所收获。
成都创新互联专注于石城企业网站建设,响应式网站设计,电子商务商城网站建设。石城网站建设公司,为石城等地区提供建站服务。全流程按需网站制作，专业设计，全程项目跟踪，成都创新互联专业和态度为您提供的服务
什么是ziplist
Redis官方对于ziplist的定义是（出自ziplist.c的文件头部注释）：
The ziplist is a specially encoded dually linked list that is designed to be very memory efficient. It stores both strings and integer values, where integers are encoded as actual integers instead of a series of characters. It allows push and pop operations on either side of the list in O(1) time.
翻译一下就是说：ziplist是一个经过特殊编码的双向链表，它的设计目标就是为了提高存储效率。ziplist可以用于存储字符串或整数，其中整数是按真正的二进制表示进行编码的，而不是编码成字符串序列。它能以O(1)的时间复杂度在表的两端提供push和pop操作。
实际上，ziplist充分体现了Redis对于存储效率的追求。一个普通的双向链表，链表中每一项都占用独立的一块内存，各项之间用地址指针（或引用）连接起来。这种方式会带来大量的内存碎片，而且地址指针也会占用额外的内存。而ziplist却是将表中每一项存放在前后连续的地址空间内，一个ziplist整体占用一大块内存。它是一个表（list），但其实不是一个链表（linked list）。
另外，ziplist为了在细节上节省内存，对于值的存储采用了变长的编码方式，大概意思是说，对于大的整数，就多用一些字节来存储，而对于小的整数，就少用一些字节来存储。我们接下来很快就会讨论到这些实现细节。
ziplist的数据结构定义
ziplist的数据结构组成是本文要讨论的重点。实际上，ziplist还是稍微有点复杂的，它复杂的地方就在于它的数据结构定义。一旦理解了数据结构，它的一些操作也就比较容易理解了。
我们接下来先从总体上介绍一下ziplist的数据结构定义，然后举一个实际的例子，通过例子来解释ziplist的构成。如果你看懂了这一部分，本文的任务就算完成了一大半了。
从宏观上看，ziplist的内存结构如下：
各个部分在内存上是前后相邻的，它们分别的含义如下：
上面的定义中还值得注意的一点是：
我们再来看一下每一个数据项
我们看到在真正的数据（）前面，还有两个字段：
部分的长度）。也采用变长编码。
那么
先说
如果前一个数据项占用字节数小于254，那么
如果前一个数据项占用字节数大于等于254，那么
有人会问了，为什么没有255的情况呢？
这是因为：255已经定义为ziplist结束标记
而
|00pppppp| - 1 byte。第1个字节最高两个bit是00，那么
|01pppppp|qqqqqqqq| - 2 bytes。第1个字节最高两个bit是01，那么
|10__|qqqqqqqq|rrrrrrrr|ssssssss|tttttttt| - 5 bytes。第1个字节最高两个bit是10，那么len字段占5个字节，总共使用32个bit来表示长度值（6个bit舍弃不用），最高可以表示2^32-1。需要注意的是：在前三种情况下，
都是按字符串来存储的；从下面第4种情况开始，开始变为按整数来存储了。|11000000| - 1 byte。
存储为2个字节的int16_t类型。|11010000| - 1 byte。
存储为4个字节的int32_t类型。|11100000| - 1 byte。
存储为8个字节的int64_t类型。|11110000| - 1 byte。
存储为3个字节长的整数。|11111110| - 1 byte。
存储为1个字节的整数。|1111xxxx| - - (xxxx的值在0001和1101之间)。这是一种特殊情况，xxxx从1到13一共13个值，这时就用这13个值来表示真正的数据。注意，这里是表示真正的数据，而不是数据长度了。也就是说，在这种情况下，后面不再需要一个单独的
字段来表示真正的数据了，而是合二为一了。另外，由于xxxx只能取0001和1101这13个值了（其它可能的值和其它情况冲突了，比如0000和1110分别同前面第7种第8种情况冲突，1111跟结束标记冲突），而小数值应该从0开始，因此这13个值分别表示0到12，即xxxx的值减去1才是它所要表示的那个整数数据的值。
好了，ziplist的数据结构定义，我们介绍完了，现在我们看一个具体的例子。
上图是一份真实的ziplist数据。我们逐项解读一下：
这个ziplist一共包含33个字节。字节编号从byte[0]到byte[32]。图中每个字节的值使用16进制表示。
头4个字节（0x21000000）是按小端（little endian）模式存储的
接下来4个字节（byte[4..7]）是
再接下来2个字节（byte[8..9]），值为0x0004，表示这个ziplist里一共存有4项数据。
接下来6个字节（byte[10..15]）是第1个数据项。其中，prevrawlen=0，因为它前面没有数据项；len=4，相当于前面定义的9种情况中的第1种，表示后面4个字节按字符串存储数据，数据的值为”name”。
接下来8个字节（byte[16..23]）是第2个数据项，与前面数据项存储格式类似，存储1个字符串”tielei”。
接下来5个字节（byte[24..28]）是第3个数据项，与前面数据项存储格式类似，存储1个字符串”age”。
接下来3个字节（byte[29..31]）是最后一个数据项，它的格式与前面的数据项存储格式不太一样。其中，第1个字节prevrawlen=5，表示前一个数据项占用5个字节；第2个字节=FE，相当于前面定义的9种情况中的第8种，所以后面还有1个字节用来表示真正的数据，并且以整数表示。它的值是20（0x14）。
最后1个字节（byte[32]）表示
总结一下，这个ziplist里存了4个数据项，分别为：
字符串: “name”
字符串: “tielei”
字符串: “age”
整数: 20
（好吧，被你发现了~~tielei实际上当然不是20岁，他哪有那么年轻啊……）
实际上，这个ziplist是通过两个hset命令创建出来的。这个我们后半部分会再提到。
好了，既然你已经阅读到这里了，说明你还是很有耐心的（其实我写到这里也已经累得不行了）。可以先把本文收藏，休息一下，回头再看后半部分。
接下来我要贴一些代码了。
ziplist的接口
我们先不着急看实现，先来挑几个ziplist的重要的接口，看看它们长什么样子：
unsigned char *ziplistNew(void); unsigned char *ziplistMerge(unsigned char **first, unsigned char **second); unsigned char *ziplistPush(unsigned char *zl, unsigned char *s, unsigned int slen, int where); unsigned char *ziplistIndex(unsigned char *zl, int index); unsigned char *ziplistNext(unsigned char *zl, unsigned char *p); unsigned char *ziplistPrev(unsigned char *zl, unsigned char *p); unsigned char *ziplistInsert(unsigned char *zl, unsigned char *p, unsigned char *s, unsigned int slen); unsigned char *ziplistDelete(unsigned char *zl, unsigned char **p); unsigned char *ziplistFind(unsigned char *p, unsigned char *vstr, unsigned int vlen, unsigned int skip); unsigned int ziplistLen(unsigned char *zl);
我们从这些接口的名字就可以粗略猜出它们的功能，下面简单解释一下：
ziplist的数据类型，没有用自定义的struct之类的来表达，而就是简单的unsigned char *。这是因为ziplist本质上就是一块连续内存，内部组成结构又是一个高度动态的设计（变长编码），也没法用一个固定的数据结构来表达。
ziplistNew: 创建一个空的ziplist（只包含
ziplistMerge: 将两个ziplist合并成一个新的ziplist。
ziplistPush: 在ziplist的头部或尾端插入一段数据（产生一个新的数据项）。注意一下这个接口的返回值，是一个新的ziplist。调用方必须用这里返回的新的ziplist，替换之前传进来的旧的ziplist变量，而经过这个函数处理之后，原来旧的ziplist变量就失效了。为什么一个简单的插入操作会导致产生一个新的ziplist呢？这是因为ziplist是一块连续空间，对它的追加操作，会引发内存的realloc，因此ziplist的内存位置可能会发生变化。实际上，我们在之前介绍sds的文章中提到过类似这种接口使用模式（参见sdscatlen函数的说明）。
ziplistIndex: 返回index参数指定的数据项的内存位置。index可以是负数，表示从尾端向前进行索引。
ziplistNext和ziplistPrev分别返回一个ziplist中指定数据项p的后一项和前一项。
ziplistInsert: 在ziplist的任意数据项前面插入一个新的数据项。
ziplistDelete: 删除指定的数据项。
ziplistFind: 查找给定的数据（由vstr和vlen指定）。注意它有一个skip参数，表示查找的时候每次比较之间要跳过几个数据项。为什么会有这么一个参数呢？其实这个参数的主要用途是当用ziplist表示hash结构的时候，是按照一个field，一个value来依次存入ziplist的。也就是说，偶数索引的数据项存field，奇数索引的数据项存value。当按照field的值进行查找的时候，就需要把奇数项跳过去。
ziplistLen: 计算ziplist的长度（即包含数据项的个数）。
ziplist的插入逻辑解析
ziplist的相关接口的具体实现，还是有些复杂的，限于篇幅的原因，我们这里只结合代码来讲解插入的逻辑。插入是很有代表性的操作，通过这部分来一窥ziplist内部的实现，其它部分的实现我们也就会很容易理解了。
ziplistPush和ziplistInsert都是插入，只是对于插入位置的限定不同。它们在内部实现都依赖一个名为__ziplistInsert的内部函数，其代码如下（出自ziplist.c）:
static unsigned char *__ziplistInsert(unsigned char *zl, unsigned char *p, unsigned char *s, unsigned int slen) {
size_t curlen = intrev32ifbe(ZIPLIST_BYTES(zl)), reqlen;
unsigned int prevlensize, prevlen = 0;
size_t offset;
int nextdiff = 0;
unsigned char encoding = 0;
long long value = 123456789; /* initialized to avoid warning. Using a value
that is easy to see if for some reason
we use it uninitialized. */
zlentry tail;
/* Find out prevlen for the entry that is inserted. */
if (p[0] != ZIP_END) {
ZIP_DECODE_PREVLEN(p, prevlensize, prevlen);
} else {
unsigned char *ptail = ZIPLIST_ENTRY_TAIL(zl);
if (ptail[0] != ZIP_END) {
prevlen = zipRawEntryLength(ptail);
}
}
/* See if the entry can be encoded */
if (zipTryEncoding(s,slen,&value,&encoding)) {
/* 'encoding' is set to the appropriate integer encoding */
reqlen = zipIntSize(encoding);
} else {
/* 'encoding' is untouched, however zipEncodeLength will use the
* string length to figure out how to encode it. */
reqlen = slen;
}
/* We need space for both the length of the previous entry and
* the length of the payload. */
reqlen += zipPrevEncodeLength(NULL,prevlen);
reqlen += zipEncodeLength(NULL,encoding,slen);
/* When the insert position is not equal to the tail, we need to
* make sure that the next entry can hold this entry's length in
* its prevlen field. */
nextdiff = (p[0] != ZIP_END) ? zipPrevLenByteDiff(p,reqlen) : 0;
/* Store offset because a realloc may change the address of zl. */
offset = p-zl;
zl = ziplistResize(zl,curlen+reqlen+nextdiff);
p = zl+offset;
/* Apply memory move when necessary and update tail offset. */
if (p[0] != ZIP_END) {
/* Subtract one because of the ZIP_END bytes */
memmove(p+reqlen,p-nextdiff,curlen-offset-1+nextdiff);
/* Encode this entry's raw length in the next entry. */
zipPrevEncodeLength(p+reqlen,reqlen);
/* Update offset for tail */
ZIPLIST_TAIL_OFFSET(zl) =
intrev32ifbe(intrev32ifbe(ZIPLIST_TAIL_OFFSET(zl))+reqlen);
/* When the tail contains more than one entry, we need to take
* "nextdiff" in account as well. Otherwise, a change in the
* size of prevlen doesn't have an effect on the *tail* offset. */
zipEntry(p+reqlen, &tail);
if (p[reqlen+tail.headersize+tail.len] != ZIP_END) {
ZIPLIST_TAIL_OFFSET(zl) =
intrev32ifbe(intrev32ifbe(ZIPLIST_TAIL_OFFSET(zl))+nextdiff);
}
} else {
/* This element will be the new tail. */
ZIPLIST_TAIL_OFFSET(zl) = intrev32ifbe(p-zl);
}
/* When nextdiff != 0, the raw length of the next entry has changed, so
* we need to cascade the update throughout the ziplist */
if (nextdiff != 0) {
offset = p-zl;
zl = __ziplistCascadeUpdate(zl,p+reqlen);
p = zl+offset;
}
/* Write the entry */
p += zipPrevEncodeLength(p,prevlen);
p += zipEncodeLength(p,encoding,slen);
if (ZIP_IS_STR(encoding)) {
memcpy(p,s,slen);
} else {
zipSaveInteger(p,value,encoding);
}
ZIPLIST_INCR_LENGTH(zl,1);
return zl;
}我们来简单解析一下这段代码：
这个函数是在指定的位置p插入一段新的数据，待插入数据的地址指针是s，长度为slen。插入后形成一个新的数据项，占据原来p的配置，原来位于p位置的数据项以及后面的所有数据项，需要统一向后移动，给新插入的数据项留出空间。参数p指向的是ziplist中某一个数据项的起始位置，或者在向尾端插入的时候，它指向ziplist的结束标记
函数开始先计算出待插入位置前一个数据项的长度
prevlen。这个长度要存入新插入的数据项的然后计算当前数据项占用的总字节数
reqlen，它包含三部分：zipTryEncoding先来尝试转成整数。由于插入导致的ziplist对于内存的新增需求，除了待插入数据项占用的
reqlen之外，还要考虑原来p位置的数据项（现在要排在待插入数据项之后）的nextdiff，是调用zipPrevLenByteDiff计算出来的。如果变大了，nextdiff是正值，否则是负值。现在很容易算出来插入后新的ziplist需要多少字节了，然后调用
ziplistResize来重新调整大小。ziplistResize的实现里会调用allocator的zrealloc，它有可能会造成数据拷贝。现在额外的空间有了，接下来就是将原来p位置的数据项以及后面的所有数据都向后挪动，并为它设置新的
最后，组装新的待插入数据项，放在位置p。
hash与ziplist
hash是Redis中可以用来存储一个对象结构的比较理想的数据类型。一个对象的各个属性，正好对应一个hash结构的各个field。
我们在网上很容易找到这样一些技术文章，它们会说存储一个对象，使用hash比string要节省内存。实际上这么说是有前提的，具体取决于对象怎么来存储。如果你把对象的多个属性存储到多个key上（各个属性值存成string），当然占的内存要多。但如果你采用一些序列化方法，比如 Protocol Buffers，或者 Apache Thrift，先把对象序列化为字节数组，然后再存入到Redis的string中，那么跟hash相比，哪一种更省内存，就不一定了。
当然，hash比序列化后再存入string的方式，在支持的操作命令上，还是有优势的：它既支持多个field同时存取（hmset/hmget），也支持按照某个特定的field单独存取（hset/hget）。
实际上，hash随着数据的增大，其底层数据结构的实现是会发生变化的，当然存储效率也就不同。在field比较少，各个value值也比较小的时候，hash采用ziplist来实现；而随着field增多和value值增大，hash可能会变成dict来实现。当hash底层变成dict来实现的时候，它的存储效率就没法跟那些序列化方式相比了。
当我们为某个key第一次执行
hset key field value 命令的时候，Redis会创建一个hash结构，这个新创建的hash底层就是一个ziplist。
robj *createHashObject(void) {
unsigned char *zl = ziplistNew();
robj *o = createObject(OBJ_HASH, zl);
o->encoding = OBJ_ENCODING_ZIPLIST;
return o;
}上面的createHashObject函数，出自object.c，它负责的任务就是创建一个新的hash结构。可以看出，它创建了一个type = OBJ_HASH但encoding = OBJ_ENCODING_ZIPLIST的robj对象。
实际上，本文前面给出的那个ziplist实例，就是由如下两个命令构建出来的。
hset user:100 name tielei hset user:100 age 20
每执行一次hset命令，插入的field和value分别作为一个新的数据项插入到ziplist中（即每次hset产生两个数据项）。
当随着数据的插入，hash底层的这个ziplist就可能会转成dict。那么到底插入多少才会转呢？
还记得本文开头提到的两个Redis配置吗？
hash-max-ziplist-entries 512 hash-max-ziplist-value 64
这个配置的意思是说，在如下两个条件之一满足的时候，ziplist会转成dict：
当hash中的数据项（即field-value对）的数目超过512的时候，也就是ziplist数据项超过1024的时候（请参考t_hash.c中的
hashTypeSet函数）。当hash中插入的任意一个value的长度超过了64的时候（请参考t_hash.c中的
hashTypeTryConversion函数）。
Redis的hash之所以这样设计，是因为当ziplist变得很大的时候，它有如下几个缺点：
每次插入或修改引发的realloc操作会有更大的概率造成内存拷贝，从而降低性能。
一旦发生内存拷贝，内存拷贝的成本也相应增加，因为要拷贝更大的一块数据。
当ziplist数据项过多的时候，在它上面查找指定的数据项就会性能变得很低，因为ziplist上的查找需要进行遍历。
上述内容就是Redis中内部数据结构ziplist的作用是什么，你们学到知识或技能了吗？如果还想学到更多技能或者丰富自己的知识储备，欢迎关注创新互联行业资讯频道。
新闻名称：Redis中内部数据结构ziplist的作用是什么
本文URL：http://shouzuofang.com/article/gdooco.html