Redis Rehash

本文主题摘自：《Redis设计与实现》 — 黄健宏

Redis HashTable内部结构

基本的Hash结构，数组+链表

ht属性是一个包含两个项的数组，数组中的每个项都是一个dictht哈希表，一般情况下，字典只使用ht[0]哈希表，ht[1]哈希表只会在对ht[0]哈希表进行rehash时使用。
除了ht[1]之外，另一个和rehash有关的属性就是rehashidx，它记录了rehash目前的进度，如果目前没有在进行rehash，那么它的值为-1。

Rehash

随着操作的不断执行，哈希表保存的键值对会逐渐地增多或者减少，为了让哈希表的负载因子（load factor）维持在一个合理的范围之内，当哈希表保存的键值对数量太多或者太少时，程序需要对哈希表的大小进行相应的扩展或者收缩。
扩展和收缩哈希表的工作可以通过执行rehash（重新散列）操作来完成，Redis对字典的哈希表执行rehash的步骤如下：
1）为字典的ht[1]哈希表分配空间，这个哈希表的空间大小取决于要执行的操作，以及ht[0]当前包含的键值对数量（也即是ht[0].used属性的值）：

• 如果执行的是扩展操作，那么ht[1]的大小为第一个大于等于ht[0].used*2的2n （2的n次方幂）；
• 如果执行的是收缩操作，那么ht[1]的大小为第一个大于等于ht[0].used的2n。
  2）将保存在ht[0]中的所有键值对rehash到ht[1]上面：rehash指的是重新计算键的哈希值和索引值，然后将键值对放置到ht[1]哈希表的指定位置上。
  3）当ht[0]包含的所有键值对都迁移到了ht[1]之后（ht[0]变为空表），释放ht[0]，将ht[1]设置为ht[0]，并在ht[1]新创建一个空白哈希表，为下一次rehash做准备。

举个例子，假设程序要对下图中所示字典的ht[0]进行扩展操作，那么程序将执行以下步骤：

1）ht[0].used当前的值为4，4 * 2=8，而8（23）恰好是第一个大于等于4的2的n次方，所以程序会将ht[1]哈希表的大小设置为8。下图展示了ht[1]在分配空间之后，字典的样子。

2）将ht[0]包含的四个键值对都rehash到ht[1]，如下图所示。

3）释放ht[0]，并将ht[1]设置为ht[0]，然后为ht[1]分配一个空白哈希表，如下图所示。至此，对哈希表的扩展操作执行完毕，程序成功将哈希表的大小从原来的4改为了现在的8。

哈希表的扩展与收缩

当以下条件中的任意一个被满足时，程序会自动开始对哈希表执行扩展操作：
1）服务器目前没有在执行BGSAVE命令或者BGREWRITEAOF命令，并且哈希表的负载因子大于等于1。
2）服务器目前正在执行BGSAVE命令或者BGREWRITEAOF命令，并且哈希表的负载因子大于等于5。

另一方面，当哈希表的负载因子小于0.1时，程序自动开始对哈希表执行收缩操作。

渐进式Rehash

扩展或收缩哈希表需要将ht[0]里面的所有键值对rehash到ht[1]里面，但是，这个rehash动作并不是一次性、集中式地完成的，而是分多次、渐进式地完成的。

这样做的原因在于，如果ht[0]里只保存着四个键值对，那么服务器可以在瞬间就将这些键值对全部rehash到ht[1]；但是，如果哈希表里保存的键值对数量不是四个，而是四百万、四千万甚至四亿个键值对，那么要一次性将这些键值对全部rehash到ht[1]的话，庞大的计算量可能会导致服务器在一段时间内停止服务。
因此，为了避免rehash对服务器性能造成影响，服务器不是一次性将ht[0]里面的所有键值对全部rehash到ht[1]，而是分多次、渐进式地将ht[0]里面的键值对慢慢地rehash到ht[1]。

以下是哈希表渐进式rehash的详细步骤：
1）为ht[1]分配空间，让字典同时持有ht[0]和ht[1]两个哈希表。
2）在字典中维持一个索引计数器变量rehashidx，并将它的值设置为0，表示rehash工作正式开始。
3）在rehash进行期间，每次对字典执行添加、删除、查找或者更新操作时，程序除了执行指定的操作以外，还会顺带将ht[0]哈希表在rehashidx索引上的所有键值对rehash到ht[1]，当rehash工作完成之后，程序将rehashidx属性的值增一。
4）随着字典操作的不断执行，最终在某个时间点上，ht[0]的所有键值对都会被rehash至ht[1]，这时程序将rehashidx属性的值设为-1，表示rehash操作已完成。
渐进式rehash的好处在于它采取分而治之的方式，将rehash键值对所需的计算工作均摊到对字典的每个添加、删除、查找和更新操作上，从而避免了集中式rehash而带来的庞大计算量。
下面的图片展示了一次完整的渐进式rehash过程，注意观察在整个rehash过程中，字典的rehashidx属性是如何变化的。

准备开始rehash

rehash索引0上的键值对

rehash索引1上的键值对

rehash索引2上的键值对

rehash索引3上的键值对

rehash执行完毕

渐进式rehash执行期间的哈希表操作

因为在进行渐进式rehash的过程中，字典会同时使用ht[0]和ht[1]两个哈希表，所以在渐进式rehash进行期间，字典的删除（delete）、查找（ nd）、更新（update）等操作会在两个哈希表上进行。例如，要在字典里面查找一个键的话，程序会先在ht[0]里面进行查找，如果没找到的话，就会继续到ht[1]里面进行查找，诸如此类。
另外，在渐进式rehash执行期间，新添加到字典的键值对一律会被保存到ht[1]里面，而ht[0]则不再进行任何添加操作，这一措施保证了ht[0]包含的键值对数量会只减不增，并随着rehash操作的执行而最终变成空表。

存在的问题

渐进式rehash解决了计算的问题，但是没有解决内存的问题。扩容的时候ht[1]到底要消耗多少内存？是直接分配了完整的内存吗?实际只是有部分的增长，并不是全量的ht[1]的大小。

参考下美团的文章：美团针对Redis Rehash机制的探索和实践