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Redis源碼閱讀:Redis字符串SDS詳解

SDS 基本概念

簡單動態字符串（Simple Dynamic String）SDS，用作Redis 的默認字符串。

C語言中的字符串：以空字符結尾的字符數組

SDS實現舉例

redis > SET msg "hello world"
OK

我們通過 SET 在 Redis 數據庫中創建了一個數據鍵對象為 "msg" 和數據值對象為 "hello world" 的鍵值對，其中數據鍵和數據值對象底層的字符串實現都是 SDS 。同時， SDS 還被用于 AOF 緩沖區。

SDS 定義

struct sdshdr {
    # 記錄 buf 數組中已使用字節的數量，即當前字符串長度值  
    # 等于 SDS 所保存字符串的字節長度
    int len;
    # 記錄 buf 數組中未使用字節的數量，buf空余可用的長度，append時使用  
    int free;
    # 字節char數組，用于保存字符串，實際保存字符串數據，最后一個字節保存了空字符 '\0'
    char buf[];
};

buf 屬性的字節數組中的字符串長度等于 len 屬性值加上1，因為 Redis遵循 C語言的規范，在SDS數據類型字符串的結尾加上了空字符串，額外占用 1 個字節空間，這1個字節空間不計算在 SDS 的 len屬性里面。

由于SDS將字符串的結尾加上了空字符串符合C語言字符串規范，Redis 字符串操作可以兼容C語言中一部分字符串庫中的函數，Redis 無需專門為 SDS在編寫一套函數。

SDS的優點

常數復雜度獲取字符串長度

C字符串需要遍歷整個字符串，計數，直到碰到空字符，停止計數，復雜度為O(N)
SDS獲取 len 屬性值即可，復雜度為 O(1) 。所以 STRLEN 的復雜度也為 O(1)

API安全，杜絕緩沖區溢出

C字符串在進行字符串拼接 strcat 時，需要預先分配足夠的空間，來容納拼接的字符串，否則會造成緩沖區溢出的問題，比如臨近的空間有另外一個字符串。
SDS 在進行字符串拼接時，會先檢查 len 的長度是否足夠，如果不夠，會先擴展 len，再進行字符串拼接。

減少修改字符串長度時所需的內存重分配次數

空間預分配
當對 SDS 進行空間擴展時，計算擴展之后的 len值如果小于 1mb，那么久會分配擴展之后的 len 值給 free 屬性作為，為下次擴展時預分配的未使用空間，如果下次擴展所需字節空間小于 free 的值，那么就無需進行空間擴展，直接使用未使用空間。
惰性空間釋放
同樣，默認情況下，對 SDS 進行縮減時，縮減的空間不會立刻被這個SDS釋放，而是分配給 free ，如果之后再進行擴展時，有可能會用到。
Redis 的 SDS 類型通過這兩種空間分配策略，減少了字符串增長縮減時所需的內存重分配操作，為內存分配提供了優化。

二進制安全

Redis 通過 len屬性的值來判斷是否結束，而不是C字符串的 \0 作為結束。

兼容部分C字符串函數

上面已經提到SDS在末尾添加了 \0 ，這樣可以兼容部分C字符串函數，可以直接使用 string.h> 函數庫。

Redis 字符串源碼原理

1、Redis的字符串結構被設計成一個[SDS]結構

字符串實際內容是被存放在一個數組中，如下表

struct SDST> {
  T capacity; // 數組容量
  T len; // 數組實際長度
  byte flags; // 特殊標識位，不理睬它
  byte[] content; // 數組內容
}

當字符串的大小超出當前分配的capacity大小時，數組將擴容，分配更大的數組，將舊的數組拷貝到新數組中，再將增加到字符串添加進去。

2、embstr 與raw

1）Redis的字符串的儲存方式分為2種，當長度特別短時，使用emb形式存儲，當長度超出44時，使用raw存儲。

2）倆者的區別：

Redis的對象頭結構如下：

struct RedisObject {
    int4 type; // 4bits
    int4 encoding; // 4bits
    int24 lru; // 24bits
    int32 refcount; // 4bytes
    void *ptr; // 8bytes，64-bit system
} robj;

解析：不同的對象具有不同類型的type；同一個類型的type會有不同的存儲形式encoding；使用lru來記錄對象的LRU信息，每個對象都有一個引用計數，當計數為0的時候，對象就會被銷毀，內存被回收；pre指針用來指示對象內容具體存儲位置；上訴對象有結構內容加起來需要占用16字節的存儲空間。

SDS對象頭大小：實際內容的大小(capacity) + 3byte，3是用來存儲capacity + len + flags內容加起來的長度，而content數組初始值是16，所有SDS最小的大小是19 (16+3 )；

存儲形式如下圖：