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Redis（05）| 数据结构-哈希表

article 2024/11/14 20:33:54

哈希表是一种保存键值对（key-value）的数据结构。
哈希表中的每一个 key 都是独一无二的，程序可以根据 key 查找到与之关联的 value，或者通过 key 来更新 value，又或者根据 key 来删除整个 key-value等等。
在讲压缩列表的时候，提到过 Redis 的 Hash 对象的底层实现之一是压缩列表（最新 Redis 代码已将压缩列表替换成 listpack）。Hash 对象的另外一个底层实现就是哈希表。
哈希表优点在于，它能以 O(1) 的复杂度快速查询数据。怎么做到的呢？将 key 通过 Hash 函数的计算，就能定位数据在表中的位置，因为哈希表实际上是数组，所以可以通过索引值快速查询到数据。
但是存在的风险也是有，在哈希表大小固定的情况下，随着数据不断增多，那么哈希冲突的可能性也会越高。
解决哈希冲突的方式，有很多种。
Redis 采用了「链式哈希」来解决哈希冲突，在不扩容哈希表的前提下，将具有相同哈希值的数据串起来，形成链接起，以便这些数据在表中仍然可以被查询到。
接下来，详细说说哈希表。

哈希表结构设计

Redis 的哈希表结构如下：

typedef struct dictht{
    //哈希表数组
    dictEntry **table;
    //哈希表大小
    unsignedlong size;
    //哈希表大小掩码，用于计算索引值
    unsignedlong sizemask;
    //该哈希表已有的节点数量
    unsignedlong used;
} dictht;

可以看到，哈希表是一个数组（dictEntry **table），数组的每个元素是一个指向「哈希表节点（dictEntry）」的指针。
在这里插入图片描述

哈希表节点的结构如下：

typedef struct dictEntry{
    //键值对中的键
    void*key;
    //键值对中的值
    union{
        void*val;
        uint64_t u64;
        int64_t s64;
        double d;
    } v;
    //指向下一个哈希表节点，形成链表
    structdictEntry*next;
} dictEntry;

dictEntry 结构里不仅包含指向键和值的指针，还包含了指向下一个哈希表节点的指针，这个指针可以将多个哈希值相同的键值对链接起来，以此来解决哈希冲突的问题，这就是链式哈希。
另外，这里还跟你提一下，dictEntry 结构里键值对中的值是一个「联合体 v」定义的，因此，键值对中的值可以是一个指向实际值的指针，或者是一个无符号的 64 位整数或有符号的 64 位整数或double 类的值。这么做的好处是可以节省内存空间，因为当「值」是整数或浮点数时，就可以将值的数据内嵌在 dictEntry 结构里，无需再用一个指针指向实际的值，从而节省了内存空间。

哈希冲突

哈希表实际上是一个数组，数组里多每一个元素就是一个哈希桶。
当一个键值对的键经过 Hash 函数计算后得到哈希值，再将(哈希值 % 哈希表大小)取模计算，得到的结果值就是该 key-value 对应的数组元素位置，也就是第几个哈希桶。
什么是哈希冲突呢？
举个例子，有一个可以存放 8 个哈希桶的哈希表。key1 经过哈希函数计算后，再将「哈希值 % 8 」进行取模计算，结果值为 1，那么就对应哈希桶 1，类似的，key9 和 key10 分别对应哈希桶 1 和桶 6。

在这里插入图片描述

此时，key1 和 key9 对应到了相同的哈希桶中，这就发生了哈希冲突。
因此，当有两个以上数量的 kay 被分配到了哈希表中同一个哈希桶上时，此时称这些 key 发生了冲突。

链式哈希

Redis 采用了「链式哈希」的方法来解决哈希冲突。
链式哈希是怎么实现的？
实现的方式就是每个哈希表节点都有一个 next 指针，用于指向下一个哈希表节点，因此多个哈希表节点可以用 next 指针构成一个单项链表，被分配到同一个哈希桶上的多个节点可以用这个单项链表连接起来，这样就解决了哈希冲突。
还是用前面的哈希冲突例子，key1 和 key9 经过哈希计算后，都落在同一个哈希桶，链式哈希的话，key1 就会通过 next 指针指向 key9，形成一个单向链表。

在这里插入图片描述

不过，链式哈希局限性也很明显，随着链表长度的增加，在查询这一位置上的数据的耗时就会增加，毕竟链表的查询的时间复杂度是 O(n)。
要想解决这一问题，就需要进行 rehash，也就是对哈希表的大小进行扩展。
接下来，看看 Redis 是如何实现的 rehash 的。

rehash

哈希表结构设计的这一小节，我给大家介绍了 Redis 使用 dictht 结构体表示哈希表。不过，在实际使用哈希表时，Redis 定义一个 dict 结构体，这个结构体里定义了两个哈希表（ht[2]）。

typedef struct dict{
    …
//两个Hash表，交替使用，用于rehash操作
    dictht ht[2];
    …
} dict;

之所以定义了 2 个哈希表，是因为进行 rehash 的时候，需要用上 2 个哈希表了。

在这里插入图片描述

在正常服务请求阶段，插入的数据，都会写入到「哈希表 1」，此时的「哈希表 2 」并没有被分配空间。
随着数据逐步增多，触发了 rehash 操作，这个过程分为三步：

给「哈希表 2」分配空间，一般会比「哈希表 1」大 2 倍；
将「哈希表 1 」的数据迁移到「哈希表 2」中；
迁移完成后，「哈希表 1 」的空间会被释放，并把「哈希表 2」设置为「哈希表 1」，然后在「哈希表 2」新创建一个空白的哈希表，为下次 rehash 做准备。
为了方便你理解，我把 rehash 这三个过程画在了下面这张图：

这个过程看起来简单，但是其实第二步很有问题，如果「哈希表 1 」的数据量非常大，那么在迁移至「哈希表 2 」的时候，因为会涉及大量的数据拷贝，此时可能会对 Redis 造成阻塞，无法服务其他请求。

渐进式 rehash

为了避免 rehash 在数据迁移过程中，因拷贝数据的耗时，影响 Redis 性能的情况，所以 Redis 采用了渐进式 rehash，也就是将数据的迁移的工作不再是一次性迁移完成，而是分多次迁移。
渐进式 rehash 步骤如下：

给「哈希表 2」分配空间；
在 rehash 进行期间，每次哈希表元素进行新增、删除、查找或者更新操作时，Redis 除了会执行对应的操作之外，还会顺序将「哈希表 1 」中索引位置上的所有 key-value 迁移到「哈希表 2」上；
随着处理客户端发起的哈希表操作请求数量越多，最终在某个时间点会把「哈希表 1 」的所有 key-value 迁移到「哈希表 2」，从而完成 rehash 操作。

这样就巧妙地把一次性大量数据迁移工作的开销，分摊到了多次处理请求的过程中，避免了一次性 rehash 的耗时操作。
在进行渐进式 rehash 的过程中，会有两个哈希表，所以在渐进式 rehash 进行期间，哈希表元素的删除、查找、更新等操作都会在这两个哈希表进行。
比如，查找一个 key 的值的话，先会在「哈希表 1」里面进行查找，如果没找到，就会继续到哈希表 2 里面进行找到。

另外，在渐进式 rehash 进行期间，新增一个 key-value 时，会被保存到「哈希表 2 」里面，而「哈希表 1」则不再进行任何添加操作，这样保证了「哈希表 1 」的 key-value 数量只会减少，随着 rehash 操作的完成，最终「哈希表 1 」就会变成空表。

rehash 触发条件

介绍了 rehash 那么多，还没说什么时情况下会触发 rehash 操作呢？
rehash 的触发条件跟**负载因子（load factor）**有关系。
负载因子可以通过下面这个公式计算：
在这里插入图片描述

触发 rehash 操作的条件，主要有两个：

当负载因子大于等于 1 ，并且 Redis 没有在执行 bgsave 命令或者 bgrewiteaof 命令，也就是没有执行 RDB 快照或没有进行 AOF 重写的时候，就会进行 rehash 操作。
当负载因子大于等于 5 时，此时说明哈希冲突非常严重了，不管有没有有在执行 RDB 快照或 AOF 重写，都会强制进行 rehash 操作。

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