Redis 数据结构-简单动态字符串

Redis 是基于 C 语言的内存数据库，但是 Redis 中并没有使用 C 语言的字符串（实质是 以空格结尾的字符数组）作为默认的字符串，而是自己构建了一种名为 简单动态字符串（Simple Dynamic String） 的抽象数据结构，将其用作默认的字符串表示。

通常而言，SDS 在 Redis 中被用于 1. 默认的字符串结构；2. 用作缓冲区（buffer）。

我们首先看看 Redis 是如何定义 SDS 的，再看看为什么要通过实现 SDS 作为默认的字符串实现。

SDS 的定义

在 Redis 在 sds.h/sdshrd 定义了 SDS 的结构体：

struct {
    // 实际的字符数组，用于保存字符串
    char buf[];
    
    // buf数组中**已使用**字节的长度
    int len;
    
    // buf数组中的剩余空间长度
    int free; 
}

下图是一个 SDS 的示例：

buf 中存储了 Redis 这个字符串
- 可以看到，SDS 和 C 语言一样，通过 字符数组 存储字符串，且 末尾有一个空字符 \0 作为结尾
- SDS 底层采用和 C 语言一样的存储，这样 Redis 可以直接复用 C 标准库中的部分字符串处理函数
len 保存了 buf 中存储字符串的 实际长度
- 注意，这里 len 不包含 buf 末尾的空字符 \0
free 是 buf 中 剩余空闲空间

为什么需要 SDS

常数复杂度获取字符串长度（len 字段）

在 C 语言中，获取字符串（也就是字符数组）的长度，是一个 O(N) 复杂度的操作。

C 需要遍历字符数组，直到遇到空字符 \0

SDS 的 len 字段令 Redis 获取字符串长度的复杂度降为 O(1)（直接读取 len 字段即可），这也确保了「获取字符串长度」这一行为，不会成为 Redis 的性能瓶颈。

杜绝缓冲区溢出（len 字段）

什么是「缓冲区溢出」？

首先，我们需要知道的是，C 语言通过空字符 \0 判断字符串是否结束。

如下例，在内存中有下面两个连续的 C 字符串 S1 和 S2，各自保存了 Redis 和 Str 两个字符串：

C 在执行字符串拼接函数 strcat 时，会假定调用者已经分配好了足够的内存、直接在字符串末尾添加对应字符。

即，如果我们在上图情况下，执行 strcat(s1, "01")，便会得到下图的结果：

可以看到，S1 虽然正常修改，但其数据溢出到 S2 所在的内存空间中，导致 S2 被意外修改了：S2 变成了字符串 "1"。

这便是我们所说的 缓冲区溢出。

SDS 如何杜绝？

SDS 通过它的 空间分配策略 杜绝「缓冲区溢出」这一现象。

当通过 SDS 的 API 对一个 SDS 进行修改时，API 会按照下列步骤执行：

检查 SDS 的空间是否满足要求
如果不满足要求，API 会先对 SDS 自动进行扩容
执行实际的修改操作

SDS 的空间分配策略（free & len 字段）

前面提到，如果通过 API 对 SDS 进行修改，API 会通过自动扩容来确保 SDS 空间满足要求；这是 SDS 空间分配策略的一种，这里我们仔细说一下 SDS 具体的空间分配策略。

C 字符串的空间分配

SDS 的空间分配策略和 C 不同，对于 C 字符串，其空间分配策略如下：

如果需要进行的是「增长字符串」，例如拼接操作 append
- 先通过内存重分配扩展底层数组的空间大小（如果没有这么做，就会发生上面提到的「缓冲区溢出」）
如果需要进行的是「缩短字符串」，例如截断操作 trim
- 需要先通过内存重分配释放字符串不再使用的空间（如果没有这一步，那么就会发生「内存泄漏」）

可以看到，每次对 C 字符串进行操作时，都需要进行 内存重分配。

内存重分配涉及复杂的算法，甚至可能需要执行系统调用，是一个 较为耗时 的操作
Redis 作为数据库，对很可能被用于对速度有要求，同时也会对数据进行频繁修改的场合
- 如果使用 C 字符串原始的空间分配策略，那么每次修改字符串的内存重分配会对性能造成较为严重的损耗

基于这个原因，SDS 实现了自己的「空间分配策略」。

SDS 的空间分配策略

对于每个 SDS 结构，buf 数组长度和实际存储的字符串长度并不是相同的，准确地说，应该是 len(buf)==len+free+1（buf 数组的空字符不在 len 和 free 计算中）。SDS 基于 free 字段实现了「空间预分配」和「惰性空间释放」两种空间分配策略。

空间预分配

空间预分配用于优化字符串的增长操作。

当 SDS API 对 SDS 字符串进行增长时，不仅会为 SDS 分配修改所需空间，还会基于 SDS 字符串的增长后的实际长度（也就是 len）为 SDS 分配额外的空间。

如果增长后，SDS 保存的字符串小于 1MB（通过 len 字段判断）
- 那么会为 SDS 预先分配 和 len 属性相同大小 的未使用空间 free
如果增长后，SDS 保存的字符串大于等于 1MB
- 会为 SDS 分配 1MB 的未使用空间 free

如下图，有 SDS "Redis"，我们对其顺序执行两次修改：

第一次追加字符串 "01"
1. 当前 free 为 1，小于字符串 "01" 的长度，因此需要扩容，也就是进行内存重分配
2. 因为追加后的 len 为 7，小于 1024，因此我们直接扩充未使用空间 free 到 len 的大小，也就是 7
第二次追加字符串 "02"
1. 当前 free 为 7，足够追加字符串 "02"，因此无需扩容，直接追加即可

可以看到，通过这种「空间预分配」的策略，SDS 将连续增长 N 次字符串所需的内存分配次数从「必定 N 次」优化为「最多 N 次」。

惰性空间释放

惰性空间释放用于优化字符串的缩短操作。

当 SDS API 需要缩短 SDS 保存的字符串时，程序不会像 C 一样立即释放被缩短的空间，而是仅增长 free 字段、并将空间保留至将来使用。

如下图，我们缩短之前的 SDS "Redis0102" 至 "Redis"：

可以看到，buf 数组中的无用空间并没有被释放，而是将其保留，并令 free 增长而已。

这样做的好处是，如果后续有对这个字符串进行增长操作时，可以尽可能的减少扩容动作。

与此同时，SDS 也提供了「主动释放空闲内存」的 api，让我们在有需要时让这些空闲空间真正被释放，防止内存浪费。

二进制安全（len & buf 字段）

在 C 语言中，由于是用字符数组实现的字符串，安全性方面天然就带有一些限制：

字符串中的字符必须符合某种编码（例如 ASCII）
除了字符串末尾，字符串中不能包含空字符 \0（也就是前面提到的「缓冲区溢出」）

这也使得 C 语言的字符串只能保存文本数据，不能保存图片、音频等二进制数据，也就是「二进制不安全」。

而为什么说 SDS 是二进制安全的呢？

SDS 的 API 会以处理二进制的方式来处理 buf 数组里的数据，不对数据作任何限制和处理，也就是保证了数据写入和读取时都是一样的
SDS 通过 len 字段判断字符串是否结束，也就是允许中间出现空字符 \0

因此，SDS 是一个「二进制安全」的字符串，它可以存储任何形式的二进制数据。

兼容部分 C 字符串函数（buf 字段）

如前文「SDS 的定义」一节中所说，SDS 和 C 语言一样，通过 字符数组 存储字符串，且 末尾有一个空字符 \0 作为结尾。这样保存文本数据的 SDS 就可以复用部分 <string.h> 中的函数了。

总结

最后再对 SDS 做一个总结。

SDS 是 Redis 在 C 字符串基础上实现的数据结构，用于 Redis 中默认的字符串表示，其结构体定义如下：

struct {
    // 实际的字符数组，用于保存字符串
    char buf[];
    
    // buf数组中**已使用**字节的长度
    int len;
    
    // buf数组中的剩余空间长度
    int free; 
}

相比于原生的 C 字符串，SDS 有如下的优点：

以 O(1) 的时间复杂度获取字符串长度
不会出现「缓冲区溢出」
减少了字符串扩缩容时的内存重分配次数
二进制安全（可以存储视频等二进制数据）
同时兼容部分 C 字符串库函数

posted @ 2022-02-10 09:35 KawaiHe 阅读(131) 评论(0) 编辑收藏举报

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