一、概述

Redis是一个开源的使用ANSI C语言编写、遵守BSD协议、支持网络、可基于内存亦可持久化的日志型、Key-Value数据库，与Memcached类似，却优于Memcached的一个高性能的key-value数据库。下面让我们来详细介绍一下redis中五大数据结构的底层实现。

二、简单动态字符串

1、概述

Redis是一个开源的使用ANSI C语言编写的key-value 数据库，我们可能会较为主观的认为 Redis 中的字符串就是采用了C语言中的传统字符串表示，但其实不然，Redis没有直接使用C语言传统的字符串表示，而是自己构建了一种名为简单动态字符串（simple dynamic string SDS）的抽象类型，并将SDS用作Redis的默认字符串表示：redis>SET msg "hello world"

SDS 定义：

struct sdshdr{

//记录buf数组中已使用字节的数量

//等于 SDS 保存字符串的长度

int len;

//记录 buf 数组中未使用字节的数量

int free;

//字节数组，用于保存字符串

char buf[];

}

图片来源：《Redis设计与实现》

我们看上面对于 SDS 数据类型的定义：

len 保存了SDS保存字符串的长度buf[] 数组用来保存字符串的每个元素free j记录了 buf 数组中未使用的字节数量　　

2、与C语言相比较　

一般来说，SDS 除了保存数据库中的字符串值以外，SDS 还可以作为缓冲区（buffer）：包括 AOF 模块中的AOF缓冲区以及客户端状态中的输入缓冲区。后面在介绍Redis的持久化时会进行介绍。

三、链表

1、概述

链表提供了高效的节点重排能力，以及顺序性的节点访问方式，并且可以通过增删节点来灵活地调整链表的长度。

链表在Redis 中的应用非常广泛，比如列表键的底层实现之一就是链表。当一个列表键包含了数量较多的元素，又或者列表中包含的元素都是比较长的字符串时，Redis 就会使用链表作为列表键的底层实现。

每个链表节点使用一个listNode结构表示（adlist.h/listNode）：

typedef struct listNode{

//前置节点

struct listNode *prev;

//后置节点

struct listNode *next;

//节点的值

void *value;

}listNode

链表的数据结构：

typedef struct list{

//表头节点

listNode *head;

//表尾节点

listNode *tail;

//链表所包含的节点数量

unsigned long len;

//节点值复制函数

void (*free) (void *ptr);

//节点值释放函数

void (*free) (void *ptr);

//节点值对比函数

int (*match) (void *ptr,void *key);

}list;

组成结构图

2、Redis链表特性

双端：链表具有前置节点和后置节点的引用，获取这两个节点时间复杂度都为O(1)。无环：表头节点的 prev 指针和表尾节点的 next 指针都指向 NULL,对链表的访问都是以 NULL 结束。　　带链表长度计数器：通过 len 属性获取链表长度的时间复杂度为 O(1)。多态：链表节点使用 void* 指针来保存节点值，可以保存各种不同类型的值。

四、字典

1、概述

字典又称为符号表或者关联数组、或映射（map），是一种用于保存键值对的抽象数据结构。字典中的每一个键 key 都是唯一的，通过 key 可以对值来进行查找或修改。C 语言中没有内置这种数据结构的实现，所以字典依然是 Redis自己构建的。

哈希表结构定义：

typedef struct dictht{

//哈希表数组

dictEntry **table;

//哈希表大小

unsigned long size;

//哈希表大小掩码，用于计算索引值

//总是等于 size-1

unsigned long sizemask;

//该哈希表已有节点的数量

unsigned long used;

}dictht

哈希表是由数组 table 组成，table 中每个元素都是指向 dict.h/dictEntry 结构，dictEntry 结构定义如下：

typedef struct dictEntry{

//键

void *key;

//值

union{

void *val;

uint64_tu64;

int64_ts64;

}v;

//指向下一个哈希表节点，形成链表

struct dictEntry *next;

}dictEntry

key 用来保存键，val 属性用来保存值，值可以是一个指针，也可以是uint64_t整数，也可以是int64_t整数。

注意这里还有一个指向下一个哈希表节点的指针，我们知道哈希表最大的问题是存在哈希冲突，如何解决哈希冲突，有开放地址法和链地址法。这里采用的便是链地址法，通过next这个指针可以将多个哈希值相同的键值对连接在一起，用来解决哈希冲突。

五、跳跃表

1、概述

跳跃表（skiplist）是一种有序数据结构，它通过在每个节点中维持多个指向其他节点的指针，从而达到快速访问节点的目的。跳跃表是一种随机化的数据,跳跃表以有序的方式在层次化的链表中保存元素，效率和平衡树媲美 ——查找、删除、添加等操作都可以在对数期望时间下完成，并且比起平衡树来说，跳跃表的实现要简单直观得多。

Redis 只在两个地方用到了跳跃表，一个是实现有序集合键，另外一个是在集群节点中用作内部数据结构。

Redis中跳跃表节点定义如下：

typedef struct zskiplistNode {

//层

struct zskiplistLevel{

//前进指针

struct zskiplistNode *forward;

//跨度

unsigned int span;

}level[];

//后退指针

struct zskiplistNode *backward;

//分值

double score;

//成员对象

robj *obj;

} zskiplistNode

多个跳跃表节点构成一个跳跃表：

typedef struct zskiplist{

//表头节点和表尾节点

structz skiplistNode *header, *tail;

//表中节点的数量

unsigned long length;

//表中层数最大的节点的层数

int level;

}zskiplist;

header和tail指针分别指向跳跃表的表头和表尾节点；length属性记录节点的数量；level属性记录层数最高的几点的层数量；下图分别展示了完整的跳跃表和单个节点的详细结构图：

2、特性

跳表具有如下性质：

由很多层结构组成每一层都是一个有序的链表最底层(Level 1)的链表包含所有元素如果一个元素出现在 Level i 的链表中，则它在 Level i 之下的链表也都会出现。每个节点包含两个指针，一个指向同一链表中的下一个元素，一个指向下面一层的元素。

六、整数集合

1、概述

《Redis 设计与实现》 中这样定义整数集合：“整数集合是集合建的底层实现之一，当一个集合中只包含整数，且这个集合中的元素数量不多时，redis就会使用整数集合intset作为集合的底层实现。”

我们可以这样理解整数集合，他其实就是一个特殊的集合，里面存储的数据只能够是整数，并且数据量不能过大。

typedef struct intset{

//编码方式

uint32_t encoding;

//集合包含的元素数量

uint32_t length;

//保存元素的数组

int8_t contents[];

}intset;

我们观察一下一个完成的整数集合结构图：

encoding：用于定义整数集合的编码方式length：用于记录整数集合中变量的数量contents：用于保存元素的数组，虽然我们在数据结构图中看到，intset将数组定义为int8_t，但实际上数组保存的元素类型取决于encoding

2、特性

整数集合是集合建的底层实现之一整数集合的底层实现为数组，这个数组以有序，无重复的范式保存集合元素，在有需要时，程序会根据新添加的元素类型改变这个数组的类型升级操作为整数集合带来了操作上的灵活性，并且尽可能地节约了内存2整数集合只支持升级操作，不支持降级操作

七、压缩列表

1、概述

压缩列表是列表键和哈希键的底层实现之一。当一个列表键只包含少量列表项，并且每个列表项要么就是小整数，要么就是长度比较短的字符串，那么Redis 就会使用压缩列表来做列表键的底层实现。

一个压缩列表的组成如下：　　

zlbytes:用于记录整个压缩列表占用的内存字节数zltail：记录要列表尾节点距离压缩列表的起始地址有多少字节zllen：记录了压缩列表包含的节点数量entryX：要说列表包含的各个节点zlend：用于标记压缩列表的末端

2、特性

压缩列表是一种为了节约内存而开发的顺序型数据结构压缩列表被用作列表键和哈希键的底层实现之一压缩列表可以包含多个节点，每个节点可以保存一个字节数组或者整数值添加新节点到压缩列表，可能会引发连锁更新操作。