Redis中list的底层原理

一、概述

list 是一个有序的字符串列表，它按照插入顺序排序，并且支持在两端插入或删除元素。一个 list 类型的键最多可以存储 2^32 - 1 个元素。

redis3.2以后，list 类型的底层实现只有一种结构，就是quicklist。版本不同时，底层实现是不同的，下面会讲解。

二、应用场景

list 类型的应用场景主要是实现队列和栈，比如：

消息队列，利用 lpush 和 rpop 命令实现生产者消费者模式。

最新消息，利用 lpush 和 ltrim 命令实现固定长度的时间线。

历史记录，利用 lpush 和 lrange 命令实现浏览记录或者搜索记录。

三、底层原理

在讲解list结构之前，需要先说明一下list结构编码的更替，如下

在Redis3.2之前，list使用的是linkedlist(双向链表)和ziplist(压缩列表)
在Redis3.2~Redis7.0之间，list使用的是quickList(快速链表)，是linkedlist和ziplist的结合
在Redis7.0之后，list使用的也是quickList，只不过将ziplist转为listpack，它是listpack、linkedlist结合版

3.1 linkedlist与ziplist

在Redis3.2之前，linkedlist和ziplist两种编码可以选择切换，它们之间的转换关系如图

3.2 ziplist结构

压缩列表(ziplist)是哈希键的底层实现之一。它是经过特殊编码的双向链表，和整数集合(intset)一样，是为了提高内存的存储效率而设计的。当保存的对象是小整数值，或者是长度较短的字符串，那么redis就会使用压缩列表来作为哈希键的实现。

ziplist的结构

struct ziplist<T> {
	int32 zlbytes; // 整个压缩列表占用字节数
    
	int32 zltail_offset; // 最后一个元素距离压缩列表起始位置的偏移量，用于快速定位到最后一个节点
    
	int16 zllength; // 元素个数
    
	T[] entries; // 元素内容列表，挨个挨个紧凑存储
    
	int8 zlend; // 标志压缩列表的结束，值恒为 0xFF
}

zlbytes: 4byte 记录整个压缩列表占用的内存字节数：在对压缩列表进行内存重分配，或者计算 zlend 的位置时使用。
zltail：4byte 记录压缩列表表尾节点距离压缩列表的起始地址有多少字节：通过这个偏移量，程序无须遍历整个压缩列表就可以确定表尾节点的地址。
zllength：2byte 记录了压缩列表包含的节点数量：当这个属性的值小于 UINT16_MAX（65535）时，这个属性的值就是压缩列表包含节点的数量；当这个值等于UINT16_MAX 时，节点的真实数量需要遍历整个压缩列表才能计算得出。
entry X(entry[1-n])：压缩列表包含的各个节点，节点的长度由节点保存的内容决定。包含属性如下：
- prerawlen：记录前一个节点所占内存的字节数，方便查找上一个元素地址
- len：data根据len的首个byte选用不同的数据类型来存储data
- data：本元素的信息
zlend: 尾节点恒等于255

ziplist转为linkedlist的条件可在redis.conf配置

list-max-ziplist-entries 512
list-max-ziplist-value 64

3.3 quickList（ziplist、linkedlist结合版）

quickList就是一个标准的双向链表的配置，有head 有tail；每一个节点是一个quicklistNode，包含prev和next指针。而每一个quicklistNode 包含一个ziplist，*zp 压缩链表里存储键值。所以quicklist是对ziplist进行一次封装，使用小块的ziplist来既保证了少使用内存，也保证了性能。

quicklist存储了一个双向列表，每个列表的节点是一个ziplist，所以实际上quicklist并不是一个新的数据结构，它就是linkedlist和ziplist的结合，然后被命名为快速列表。

ziplist内部entry个数可在redis.conf配置

list-max-ziplist-size -2
# -5: 每个ziplist最多为 64 kb  <-- 影响正常负载，不推荐
# -4: 每个ziplist最多为 32 Kb  <-- 不推荐
# -3: 每个ziplist最多为 16 Kb  <-- 最好不要使用
# -2: 每个ziplist最多为 8 Kb   <-- 好
# -1: 每个ziplist最多为 4 Kb   <-- 好
# 正数为ziplist内部entry个数

ziplist通过特定的LZF压缩算法来将节点进行压缩存储，从而更进一步的节省空间，而很多场景都是两端元素访问率最高，我们可以通过配置list-compress-depth来排除首尾两端不压缩的entry个数。

list-compress-depth 0
# - 0：不压缩（默认值）
# - 1：首尾第 1 个元素不压缩
# - 2：首位前 2 个元素不压缩
# - 3：首尾前 3 个元素不压缩
# - 以此类推

quickList（listpack、linkedlist结合版）

和Hash结构一样，因为ziplist有连锁更新问题，redis7.0将ziplist替换为listpack，下面是新quickList的结构图

quicklist表头结构

typedef struct quicklist {
    quicklistNode *head;
    quicklistNode *tail;
    unsigned long count;        /* 所有列表包中所有条目的总数，占用16 bits，最大65536 */
    unsigned long len;          /* quicklistNode 的数量 */
    signed int fill : QL_FILL_BITS;       /* 单个节点的填充因子 */
    unsigned int compress : QL_COMP_BITS; /* 不压缩的端节点深度；0=off */
    unsigned int bookmark_count: QL_BM_BITS;
    quicklistBookmark bookmarks[];
} quicklist;

typedef struct quicklist {
    //指向头部(最左边)quicklist节点的指针
    quicklistNode *head;
 
    //指向尾部(最右边)quicklist节点的指针
    quicklistNode *tail;
 
    //ziplist中的entry节点计数器
    unsigned long count;        /* total count of all entries in all ziplists */
 
    //quicklist的quicklistNode节点计数器
    unsigned int len;           /* number of quicklistNodes */
 
    //保存ziplist的大小，配置文件设定，占16bits
    int fill : 16;              /* fill factor for individual nodes */
 
    //保存压缩程度值，配置文件设定，占16bits，0表示不压缩
    unsigned int compress : 16; /* depth of end nodes not to compress;0=off */
} quicklist;

说明
“head”	表示快速链表的头部节点
“tail”	表示快速链表的尾部节点
“count”	表示快速链表中所有节点中元素的总数
“len”	表示快速链表中节点的个数
“fill”	ziplist 节点的最大大小，值默认 8kb，大小超出后会新建一个 Ziplist，对应 list-max-ziplist-size 参数，占 16bit。
“compress”	节点压缩深度，表示节点是否使用 LZF 算法压缩，对应 list-compress-depth 参数，占1 6bit

对于 “fill” 当数字为负数：

-1：每个 ZipList 节点大小不能超过 4kb（建议）
-2：每个 ZipList 节点大小不能超过 8kb（默认配置）
-3：每个 ZipList 节点大小不能超过 16kb（一般不建议）
-4：每个 ZipList 节点大小不能超过 32kb（不建议）
-5：每个 ZipList 节点大小不能超过 64kb（正常工作量不建议）

对于 “fill” 当数字为正数：ZipList 节点最多包含的元素个数，最大值为 215215

对于 “compress” 节点，数字含义如下：

0：不压缩(默认)
1：QucikList 列表的两端各有1个ziplist节点不压缩，中间的节点压缩
2：QucikList 列表的两端各有2个ziplist节点不压缩，中间的节点压缩
3：QucikList 列表的两端各有3个ziplist节点不压缩，中间的节点压缩
以此类推，最大为 216216

quicklist节点结构

typedef struct quicklistNode {
    struct quicklistNode *prev;
    struct quicklistNode *next;
    unsigned char *entry;
    size_t sz;             /* 当前entry占用字节 */
    unsigned int count : 16;     /* listpack元素个数，最大65535 */
    unsigned int encoding : 2;   /* RAW==1 or LZF==2 */
    unsigned int container : 2;  /* PLAIN==1 or PACKED==2 */
    unsigned int recompress : 1; /* 当前listpack是否需要再次压缩 */
    unsigned int attempted_compress : 1; /* 测试用 */
    unsigned int extra : 10; /* 备用 */
} quicklistNode;

typedef struct quicklistNode {
    struct quicklistNode *prev;     //前驱节点指针
    struct quicklistNode *next;     //后继节点指针
 
    //不设置压缩数据参数recompress时指向一个ziplist结构
    //设置压缩数据参数recompress指向quicklistLZF结构
    unsigned char *zl;
 
    //压缩列表ziplist的总长度
    unsigned int sz;                  /* ziplist size in bytes */
 
    //ziplist中包的节点数，占16 bits长度
    unsigned int count : 16;          /* count of items in ziplist */
 
    //表示是否采用了LZF压缩算法压缩quicklist节点，1表示压缩过，2表示没压缩，占2 bits长度
    unsigned int encoding : 2;        /* RAW==1 or LZF==2 */
 
    //表示一个quicklistNode节点是否采用ziplist结构保存数据，2表示压缩了，1表示没压缩，默认是2，占2bits长度
    unsigned int container : 2;       /* NONE==1 or ZIPLIST==2 */
 
    //标记quicklist节点的ziplist之前是否被解压缩过，占1bit长度
    //如果recompress为1，则等待被再次压缩
    unsigned int recompress : 1; /* was this node previous compressed? */
 
    //测试时使用
    unsigned int attempted_compress : 1; /* node can't compress; too small */
 
    //额外扩展位，占10bits长度
    unsigned int extra : 10; /* more bits to steal for future usage */
} quicklistNode;

listpack内部entry个数可在redis.conf配置

List-Max-listpack-size -2
# -5: 每个listpack最多为 64 kb  <-- 影响正常负载，不推荐
# -4: 每个listpack最多为 32 Kb  <-- 不推荐
# -3: 每个listpack最多为 16 Kb  <-- 最好不要使用
# -2: 每个listpack最多为 8 Kb   <-- 好
# -1: 每个listpack最多为 4 Kb   <-- 好
# 正数为listpack内部entry个数

四、redis链表特性

双端：链表节点带有prev和next指针，获取某个节点的前置节点和后置节点的复杂度都是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，对链表的访问以NULL为终点。
带表头指针和表尾指针：通过list结构的head指针和tail指针，程序获取链表的表头节点和表尾节点的复杂度为O(1) 。
带链表长度计数器：程序使用list结构的len属性来对list持有的链表节点进行计数，程序获取链表中节点数量的复杂度为O(1)。

总结

Redis list类型是一种可以存储一个有序的字符串列表的数据结构，它有以下特点：

可以在列表的两端进行快速的插入和删除操作，支持阻塞和非阻塞的读取方式

可以根据索引或范围来获取列表中的元素，支持反向遍历和排序等操作

可以用作栈、队列、消息队列等场景

posted @ 2025-03-20 22:26 搁浅~浅浅浅阅读(97) 评论(0) 收藏举报

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Redis中list的底层原理