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研究Redis源碼之sds
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Redis是一個(gè)非常流行的Key-Value存儲(chǔ)系統(tǒng)，被廣泛應(yīng)用于Web應(yīng)用程序的緩存、排行榜、消息隊(duì)列等場(chǎng)景中。Redis的出色之處不僅在于其高性能、高可用性和數(shù)據(jù)持久化的能力，還在于其代碼易讀易懂、可擴(kuò)展性強(qiáng)。
本文將重點(diǎn)介紹Redis中的一種數(shù)據(jù)類型——SDS（Simple Dynamic String）的實(shí)現(xiàn)原理和優(yōu)勢(shì)。
SDS是Redis的字符串類型的底層實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，它在Redis中被廣泛使用，例如作為字符串鍵的值、作為列表的元素、保存Redis服務(wù)器的配置選項(xiàng)等等。SDS具有以下特點(diǎn)：
1. 常數(shù)復(fù)雜度的獲取字符串長(zhǎng)度、追加字符串等操作。
2. 二進(jìn)制安全，可包含任何數(shù)據(jù)，包括空字符。
3. 內(nèi)部實(shí)現(xiàn)不依賴于C語(yǔ)言的字符串，可以在SDS中保存未必是以null結(jié)尾的數(shù)據(jù)。
4. 兼容部分C字符串函數(shù)。
接下來(lái)我們來(lái)看看SDS的實(shí)現(xiàn)原理。
SDS源碼結(jié)構(gòu)：
“`c
struct sdshdr {
int Len;
int free;
CHAR buf[];
};
其中，len字段表示已使用的字符數(shù)，free字段表示空閑的字符數(shù)。buf即SDS存儲(chǔ)字符串字符的地方，是一個(gè)柔性數(shù)組，這種方式允許buf從與sdshdr結(jié)構(gòu)體的末尾相鄰的內(nèi)存開(kāi)始，確保了空間的連續(xù)性。
SDS的實(shí)現(xiàn)：
我們來(lái)看看如何在代碼層次上實(shí)現(xiàn)SDS數(shù)據(jù)類型。
```c
#include
#include
#include
#define SDS_HEADER_SIZE sizeof(struct sdshdr)
#define SDS_INITIAL_LENGTH 4
struct sdshdr {
int len; // 記錄當(dāng)前字符串長(zhǎng)度
int free; // 記錄當(dāng)前字符串可用空間
char buf[]; // 空數(shù)組，用于存儲(chǔ)字符串
};
// 聲明 SDS 相關(guān)函數(shù)
int sdslen(const char *s);
int sdsavlable(const char *s);
char *sdsdup(const char *s);
char *sdscat(char *s, const char *t);
void sdsclear(char *s);
// T = O(N+P)
char *sdsgrowzero(char *s, int len) {
int curlen = sdslen(s);
if (len
s = (char*)realloc(s, SDS_HEADER_SIZE + len + 1 - curlen);
// 在內(nèi)存分配失敗或越界時(shí)，realloc 函數(shù)會(huì)返回 NULL
if (s == NULL) return NULL;
memset(s + curlen, 0, (len + 1 - curlen));
((struct sdshdr*)s)->free = len - curlen;
return s;
}
// T = O(N)
char *sdsnewlen(const char *init, size_t initlen) {
struct sdshdr *sh;
sh = (struct sdshdr*)malloc(SDS_HEADER_SIZE + initlen + 1);
if (sh == NULL) return NULL;
sh->len = initlen;
sh->free = 0;
if (initlen && init)
memcpy(sh->buf, init, initlen);
sh->buf[initlen] = '\0';
return (char*)sh->buf;
}
// T = O(N)
char *sdsnew(const char *init) {
int initlen = (init == NULL) ? 0 : strlen(init);
return sdsnewlen(init, initlen);
}
// T = O(1)
void sdsfree(char *s) {
if (s == NULL) return;
free(s - SDS_HEADER_SIZE);
}
// T = O(N)
char *sdsdup(const char *s) {
return sdsnewlen(s, sdslen(s));
}
// T = O(N)
int sdslen(const char *s) {
struct sdshdr *sh = (struct sdshdr*)(s - SDS_HEADER_SIZE);
return sh->len;
}
// T = O(N)
int sdsavlable(const char *s) {
struct sdshdr *sh = (struct sdshdr*)(s - SDS_HEADER_SIZE);
return sh->free;
}
// T = O(N)
void sdsclear(char *s) {
struct sdshdr *sh = (struct sdshdr*)(s - SDS_HEADER_SIZE);
memset(s, 0, sh->len + 1);
sh->len = 0;
sh->free = 0;
}
// 借助 sdscatlen 函數(shù)實(shí)現(xiàn) sdscat 函數(shù)
char *sdscatlen(char *s, const char *t, size_t len) {
struct sdshdr *sh;
int curlen = sdslen(s);
s = sdsgrowzero(s, curlen + len);
// 在內(nèi)存分配失敗或越界時(shí)，sdsgrowzero 函數(shù)會(huì)返回 NULL
if (s == NULL) return NULL;
sh = (struct sdshdr*)(s - SDS_HEADER_SIZE);
memcpy(s + curlen, t, len);
sh->len = curlen + len;
sh->free = sh->free - len;
s[curlen + len] = '\0';
return s;
}
// T = O(N)
char *sdscat(char *s, const char *t) {
return sdscatlen(s, t, strlen(t));
}
SDS實(shí)現(xiàn)方式：
1. 動(dòng)態(tài)擴(kuò)展
SDS的實(shí)現(xiàn)通過(guò)動(dòng)態(tài)擴(kuò)展的方式，將空間占用控制在一個(gè)合理范圍內(nèi)。當(dāng)SDS的空間不夠使用時(shí)，SDS通過(guò)realloc()函數(shù)重新分配更大的內(nèi)存空間來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)擴(kuò)展。
2. 自由空間預(yù)留
當(dāng)SDS擴(kuò)展空間時(shí)，會(huì)預(yù)留額外空間供之后的修改使用，這樣在下一次的修改字符串操作時(shí)，SDS不用重新分配內(nèi)存空間，從而提高了效率。
3. 統(tǒng)一管理
SDS在維護(hù)字符串長(zhǎng)度len以及自由空間的一些空間數(shù)據(jù)時(shí)，不同于一般的字符串結(jié)構(gòu)需要了解并維護(hù)一個(gè)長(zhǎng)度（size）和容量（capacity），SDS將這些數(shù)據(jù)放在同一個(gè)結(jié)構(gòu)體內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理。
4. 二進(jìn)制安全
因?yàn)镾DS不依賴C語(yǔ)言字符串的結(jié)尾賦值為0的形式，于是它可以保存任何二進(jìn)制數(shù)據(jù)，即使里面有null字符也不會(huì)因?yàn)榻財(cái)喽鴣G失數(shù)據(jù)。
總結(jié)：
通過(guò)本文的介紹，你已經(jīng)了解了Redis中SDS數(shù)據(jù)類型的實(shí)現(xiàn)原理，SDS具有動(dòng)態(tài)擴(kuò)展、統(tǒng)一管理所需的內(nèi)存空間等特點(diǎn)，這使得SDS數(shù)據(jù)類型具有極高的靈活性和性能優(yōu)勢(shì)，也是Redis數(shù)據(jù)類型的代表之一。需要注意的是，在實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程中，了解SDS的實(shí)現(xiàn)原理可以幫助我們更好地理解Redis的底層機(jī)制，也為我們的程序設(shè)計(jì)提供了最佳實(shí)踐，挖掘出更高效的利用方式，更好地為我們的項(xiàng)目服務(wù)。
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網(wǎng)頁(yè)名稱：研究Redis源碼之SDS（redis源碼sds）
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