Redis底层数据结构全解密：从SDS到跳表，读懂“快”的基因

Redis底层数据结构全解密：从SDS到跳表，读懂“快”的基因

Redis 能以每秒十万级吞吐量处理请求，除了单线程和IO多路复用，更离不开精心设计的底层数据结构。String、List、Hash、Set、ZSet 五种对外数据类型，背后对应着 SDS、quicklist、dict、ziplist、intset、skiplist 等多种高效实现。本文深入源码与内存布局，图文并茂，带你彻底搞懂 Redis“快”的底层密码。

一、引言：外看五种类型，内看多种编码

当你使用 Redis 时，看到的是 String、List、Hash、Set、Sorted Set。但在内存中，Redis 会根据数据的大小、数量、内容，自动选择最合适的底层编码。这种“外松内紧”的设计，让 Redis 在内存效率与访问速度之间达到极致平衡。

二、String 的底层：SDS（简单动态字符串）

C 语言原生字符串以 \0 结尾，有三大痛点：获取长度 O(N)、缓冲区溢出风险、二进制不安全。Redis 自己实现了 SDS。

SDS 结构（以 sdshdr8 为例）

 

struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr8 {
    uint8_t len;      // 已使用长度
    uint8_t alloc;    // 总分配长度
    unsigned char flags; // 类型标识
    char buf[];       // 柔性数组，真正存储字符串
};

 

 

SDS 核心优势

 

特性	说明
O(1) 获取长度	直接读 len 字段
空间预分配	扩容时多分配空闲空间（alloc - len），减少内存重分配
惰性释放	缩短字符串时不立即回收，用 free 记录，便于后续追加
二进制安全	不以 \0 判断结束，可存储图片、序列化对象等

String 的三种内部编码

Redis 对 String 类型根据内容和长度采用不同编码：

 

编码	条件	说明
int	整数值且范围在 long 内	直接存储数值，不额外分配对象
embstr	字符串长度 ≤ 44 字节	RedisObject 和 SDS 连续分配，一次内存操作
raw	字符串长度 > 44 字节	RedisObject 和 SDS 分别分配，两次内存操作

为什么 embstr 只能读？
embstr 对象在修改时会先转为 raw，因为重新分配需要移动整个连续内存块。

> set num 100
> object encoding num
"int"
> set short "hello world"   # 长度 11 ≤44
> object encoding short
"embstr"
> set long "aaaaaaaaaa... (45个a)"
> object encoding long
"raw"

三、List 的底层：quicklist（双向链表 + ziplist）

Redis 3.2 之前，List 使用 ziplist（元素少且短）或 linkedlist。3.2 之后统一为 quicklist：一个双向链表，每个节点是一个 ziplist。

quicklist 整体结构

typedef struct quicklist {
    quicklistNode *head;
    quicklistNode *tail;
    unsigned long count;  // 所有 ziplist 中的元素总数
    unsigned long len;    // quicklist 节点数
    int fill;             // 每个 ziplist 的最大大小（由配置决定）
    unsigned int compress; // 压缩深度
} quicklist;

每个 quicklistNode 包含一个 ziplist 指针，以及前后指针。

 

 

ziplist 内部结构

ziplist 是一块连续内存，存储了每个 entry 的前一个节点长度、当前节点编码和值，以空间换时间，内存非常紧凑。

<zlbytes> <zltail> <zllen> <entry1> <entry2> ... <zlend>

每个 entry 的编码会动态选择 1 字节、2 字节或 5 字节来存储长度，因此修改中间 entry 可能导致连锁更新（后续 entry 的 prevlen 长度变化），影响性能。故 ziplist 仅用于小数据量。

配置参数

list-max-ziplist-size -2   # 每个 ziplist 最大 8KB（-2 代表 8KB）
list-compress-depth 0      # 不压缩

四、Hash 的底层：ziplist 与 dict

Hash 存储键值对，底层可使用 ziplist（小数据）或 hashtable（dict）（大数据）。

什么时候用 ziplist？

• 键值对数量 < 512（hash-max-ziplist-entries）

• 所有键和值的字符串长度 < 64 字节（hash-max-ziplist-value）

在 ziplist 中，两个 entry 为一对（key 紧跟着 value），按插入顺序排列。

什么时候用 dict？

超过阈值后，自动转为 dict。dict 是 Redis 最核心的哈希表实现，采用链地址法解决冲突，支持渐进式 rehash。

dict 结构层次

typedef struct dictEntry {
    void *key;
    union { void *val; uint64_t u64; int64_t s64; double d; } v;
    struct dictEntry *next;
} dictEntry;

typedef struct dictht {
    dictEntry **table;   // 哈希表数组
    unsigned long size;  // 数组大小（2 的幂）
    unsigned long sizemask;
    unsigned long used;  // 已有节点数
} dictht;

typedef struct dict {
    dictht ht[2];        // ht[0] 主表，ht[1] 用于 rehash
    long rehashidx;      // -1 表示未 rehash
} dict;

 

渐进式 rehash

当负载因子过大（used/size > 5 且未在 bgrewriteaof）或强制扩容时，Redis 会：

1. 为 ht[1] 分配 2*size 的空间。

2. 将 rehashidx 设为 0，表示开始 rehash。

3. 每次增、删、改、查操作时，顺带将 ht[0] 中 rehashidx 索引的整条链迁移到 ht[1]，然后 rehashidx++。

4. 迁移完毕，交换 ht[0] 和 ht[1]，rehashidx = -1。

这样把一次性 O(N) 操作分摊到多次请求中，避免服务卡顿。

 

五、Set 的底层：intset 与 dict

Set 存储不重复元素，根据元素类型和数量选择编码：

• 所有元素都是整数，且数量 ≤ set-max-intset-entries（默认 512）→ intset

• 否则 → dict（value 为 NULL）

intset 结构

typedef struct intset {
    uint32_t encoding;   // INTSET_ENC_INT16, INT32, INT64
    uint32_t length;
    int8_t contents[];   // 按 encoding 存储实际整数
} intset;

intset 是一个有序数组，查找用二分查找（O(log N)），插入需要移动元素（O(N)）。由于元素少，性能完全够用。

六、ZSet（有序集合）的底层：ziplist 与 skiplist+dict

ZSet 存储 member -> score 的映射，且按 score 排序。底层实现：

• 元素数量 ≤ zset-max-ziplist-entries（128）且 member 长度 ≤ zset-max-ziplist-value（64）→ ziplist（按 score 升序存储 member 和 score 交替）

• 否则 → skiplist + dict

跳表（skiplist）结构

跳表是一种随机化的多层链表，通过维护多级索引实现 O(log N) 的平均查找，且实现比红黑树简单。

typedef struct zskiplistNode {
    sds ele;
    double score;
    struct zskiplistNode *backward;
    struct zskiplistLevel {
        struct zskiplistNode *forward;
        unsigned long span;   // 跨度
    } level[];
} zskiplistNode;

typedef struct zskiplist {
    struct zskiplistNode *header, *tail;
    unsigned long length;
    int level;
} zskiplist;

typedef struct zset {
    dict *dict;      // member -> score 快速查找
    zskiplist *zsl;  // 按 score 排序的范围查询
} zset;

查找示例（查找分数 23）：

从最高层开始，逐层下降，快速定位到接近目标的位置。

七、编码转换总结表

 

数据类型	小数据编码	大数据编码	默认阈值	配置参数
String	int, embstr	raw	44 字节 (embstr→raw)	无
List	quicklist（内含 ziplist）	quicklist	统一 3.2+	list-max-ziplist-size
Hash	ziplist	dict	512 entries / 64 bytes	hash-max-ziplist-entries/value
Set	intset	dict	512 个整数	set-max-intset-entries
ZSet	ziplist	skiplist+dict	128 entries / 64 bytes	zset-max-ziplist-entries/value

所有编码转换都是单向的（小→大），不会自动回退，除非重新设置数据。

 

八、总结：Redis “快” 的三层基因

1. 内存操作：所有数据在内存中，远离磁盘 I/O。

2. 高效数据结构：SDS、ziplist、quicklist、dict、intset、skiplist 均针对 Redis 场景极致优化。

3. 自适应编码：根据数据特征动态选择最省内存或最快的实现。

理解底层实现，你就能写出更高效的 Redis 使用方式，也能从容应对面试中的“String 为什么有两种编码”“ZSet 如何实现范围查询”等问题。

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