【Redis】动态字符串SDS

川长思鸟来 2024-04-06 13:44 50阅读 0赞

[CSDN话题挑战赛第2期][CSDN_2]  
参赛话题：[面试宝典][Link 1]

#### 文章目录 ####

*  前言
 *  源码
 *  数据安全
 *  动态
 *  总结

## 前言 ##

首先，Redis中的key使用的是字符串，而value则有各种类型，不过多数为字符串。  
因此字符串是Redis中最常用的一种数据结构。  
Redis虽然使用了C语言类实现，但是并没有直接使用C语言的字符串，原因有如下几点：

*  本质为字符数组，计算长度麻烦
 *  通过特定标识作为字符串结尾，若value中有该标识则可能出现字符串保存错误问题
 *  通过指针指向数组，不方便修改，只能使得指针指向另一字符串

综上，如果直接使用C语言中的字符串，那么将会带来一些不必要的麻烦。  
因此Redis采用了类似于Java中字符串实现方式的方式来实现。  
但是C语言并没有类，因此C语言使用的是结构体来完成这一结构。  
该结构称为**简单动态字符串（Simple Dynamic String）SDS**。  
我们插入一个以字符串作为键值对的数据的时候，Redis就会在底层创建两个SDS。  
其中一个为key，另一个为value。  
下面通过源码来讲解这一结构。

## 源码 ##

如果没有学过C语言的，可以将结构体类比于Java中的类。  
这里 **struct** 就类似于**class** 。  
这里我们以sdshdr8为例（sdshdr5由于一些问题基本已经废弃）  
uint8\_t 代表的是unsigned int，并且这个int类型的长度为8bit。也就是最大255。  
len：当前buf中已经保存的字符的长度  
alloc：为当前buf申请的字节数大小，长度不一定等于len  
flags：当前SDS的头类型，由于len的长度受限于数据类型，因此如果只有255可能保存不下，需要有更大的长度，而这个flags就用于标识当前无符号int数据类型的长度。  
可选8，16，32，64（单位为bit）  
buf：SDS中具体的数据  
![在这里插入图片描述][7beffed38eff481e84f21957353d9a7a.png]  
![在这里插入图片描述][21e81a50f77b4f4f9f0d2a7b41d95619.png]

## 数据安全 ##

例如一个字符串name，其SDS结构如下：  
![在这里插入图片描述][3c799a03ca8245c38e96e60a9550364c.png]  
C语言结构体将会开辟一段连续的空间，该空间的大小为结构体内所有属性所需空间的和。  
首先name的长度为4，并且第一次开辟的内存长度一般于与len一样，因此alloc也为4，由于使用的是sdshdr8，因此flags为1。之后为buf中的数据，其中保存的是具体的SDS所要保存的数据，这里为name\\0，其中\\0代表的是结束符。

同时由于SDS头中已经设定了len为4，因此Redis必须读取4个字符之后才会结束，因此即使当前buf中有结束标识\\0也不会被当作真的结束标识，Redis依旧会继续向后读，这就解决了数据安全问题，如果是传统C语言，那么如果字符串中有结束标识\\0，之后的数据就会直接被抛弃，会造成数据安全问题。而Redis的这种设计就解决了这一问题。

## 动态 ##

SDS之所以被叫做动态字符串，是因为其具备动态扩容的能力。依旧以上面的SDS为例，假设我们需要向其追加一段内容“dog”，那么这里首先需要先申请内存空间，而在申请内存空间的时候就会设计以下情况：

*  如果追加后生成的新字符串小于1M，则新空间为扩展后字符串长度的2倍+1
 *  如果追加后生成的新字符串大于1M，则新空间为扩展后字符串长度+1M+1，我们成为内存预分配。

这里之所以需要预分配是因为当我们申请内存的时候，需要进行用户态和内核态的切换。应用程序默认运行的环境为用户态，当应用程序需要进行一些特殊操作（例如读取文件，申请空间，杀死其他进程等）时，由于用户态默认是不安全的，因此需要进行用户态到内核态的切换，然后进入内核态之后在进行内存空间的分配。而申请内存这一过程极度消耗资源，因此需要尽量减少多次申请内存空间。而内存的预分配能尽可能的减少这一情况。

这是扩展后sdshdr8中的内容。  
![在这里插入图片描述][c86eaa1de87747e2ac1d541ab24ee54c.png]

## 总结 ##

Redis实现的SDS有如下优点：

*  获取字符串长度的时间复杂度为O（1）
 *  支持动态扩容
 *  内存预分配，减少内存分配次数
 *  二进制安全，不会由于遇到结束符而提前结束读取

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