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Redis基础数据结构之 quicklist 和 listpack 源码解读

article 2024/11/15 11:35:01

目录标题

  • quicklist
    • 为什么要设计 quicklist？
    • quicklist特点
      • ziplist
    • quicklist数据结构
  • listpack
    • listpack是什么？
    • listpack数据结构
    • ziplist干啥去了？为什么有listpack?
    • 什么是ziplist的连锁更新？
    • listpack 如何避免连锁更新？
  • listpack替代了quicklist吗？

quicklist

为什么要设计 quicklist？

ziplist 有两个问题

  1. 不能保存过多的元素，否则访问性能会下降
  2. 不能保存过大的元素，否则容易导致内存重新分配，甚至引起连锁更新

quicklist特点

quicklist 的设计，其实是结合了链表和 ziplist 各自的优势。简单来说，一个 quicklist 就是一个链表，而链表中的每个元素又是一个 ziplist。

  • 结构定义：quicklist.h
  • 实现：quicklist.c

ziplist

Ziplist（压缩列表）之所以在特定场景下效率高，主要是因为它在内存使用方面进行了优化，特别是在存储小数据集时能够显著减少内存占用。

内存效率
Ziplist 通过对存储的数据进行紧凑编码来减少内存使用。它不仅记录了数据的实际内容，还记录了每个元素的长度信息，使得读取时可以快速确定每个元素的边界。这样做的好处是，对于短字符串或小整数，Ziplist 可以以非常紧凑的方式存储，从而节省内存。

快速访问
Ziplist 中每个元素的长度信息是显式存储的，这意味着访问特定元素时，可以直接跳转到相应的位置，无需遍历整个列表。这样，即使列表中有许多元素，访问特定元素的效率仍然很高。

Ziplist中的显式长度信息确实有助于定位元素，但它并不提供真正的随机访问能力。对于连续访问或数据量较小的情况，Ziplist的表现是不错的，但在需要频繁随机访问的场景下，可能需要考虑其他数据结构，如哈希表或索引结构。

假设Ziplist中存储了三个元素：“foo”（长度3）、“bar”（长度3）和"baz"（长度3）。为了找到第三个元素"baz"，你需要先读取第一个元素的长度（3字节），然后加上第二个元素的长度（再加3字节），才能定位到第三个元素的位置。

适合小数据集
Ziplist 主要适用于存储少量且大小适中的元素。当列表或哈希中的元素数量不多，且每个元素的大小也不大时，使用Ziplist可以大大节省内存。例如，对于包含少量字符串或整数的列表，Ziplist的紧凑存储方式可以减少内存开销。

紧凑存储
Ziplist使用紧凑的数据格式存储整数和字符串，通过使用不同的编码方式来适应不同类型的数据。例如，对于整数，Ziplist会根据整数值的大小选择合适的字节数（如1字节、2字节、4字节或8字节）来存储，这样可以有效地利用内存。

适用场景
Ziplist特别适用于内存敏感的应用场景，例如在存储大量小字符串或小整数时。当数据量不大时，Ziplist可以提供较高的性能和较低的内存使用。

自动转换
当Ziplist中的元素数量或大小超过了预先设定的阈值时，Redis会自动将其转换为其他数据结构，如linkedlist或hashtable，以保持良好的性能。这种机制确保了在数据量增长时，Redis仍能保持高效。

Ziplist通过紧凑的数据编码和显式的长度信息记录，能够在存储小数据集时提供高效的内存使用和快速的数据访问。然而，对于大型数据集，Ziplist的性能优势会减弱，此时Redis会自动选择更合适的数据结构来替代。

quicklist数据结构

quicklist 是一个链表，所以每个 quicklistNode 中，都包含了分别指向它前序和后序节点的指针* prev 和* next。同时，每个 quicklistNode 又是一个 ziplist，所以，在 quicklistNode 的结构体中，还有指向 ziplist 的指针* zl。

每个元素节点 quicklistNode 的定义如下：

typedef struct quicklistNode {
    // 前一个 quicklistNode
    struct quicklistNode *prev;
    // 后一个 quicklistNode
    struct quicklistNode *next;
    // quicklistNode 指向的 ziplist
    unsigned char *zl;
    // ziplist 的字节大小
    unsigned int sz;
    // ziplist 的元素个数
    unsigned int count: 16;
    // 编码方式，『原生字节数组』或「压缩存储」
    unsigned int encoding: 2;
    // 存储方式，NONE==1 or ZIPLIST==2
    unsigned int container: 2;
    // 数据是否被压缩
    unsigned int recompress: 1;
    // 数据能否被压缩
    unsigned int attempted_compress: 1;
    // 预留的 bit 位
    unsigned int extra: 10;
} quicklistNode;

quicklist 的结构体定义如下：

typedef struct quicklist {
    // quicklist 的链表头
    quicklistNode *head;
    // quicklist 的链表尾
    quicklistNode *tail;
    // 所有 ziplist 中的总元素个数
    unsigned long count;
    // quicklistNodes 的个数
    unsigned long len;
    ……
} quicklist;

图示
在这里插入图片描述

typedef struct quicklistEntry {
    const quicklist *quicklist;
    quicklistNode *node;
    unsigned char *zi;
    unsigned char *value;
    long long longval;
    unsigned int sz;
    int offset;
} quicklistEntry;
quicklistCreate
quicklist *quicklistCreate(void) {
    struct quicklist *quicklist;

    quicklist = zmalloc(sizeof(*quicklist));
    quicklist->head = quicklist->tail = NULL;
    quicklist->len = 0;
    quicklist->count = 0;
    quicklist->compress = 0;
    quicklist->fill = -2;
    quicklist->bookmark_count = 0;
    return quicklist;
}

quicklistDelIndex 删除节点

REDIS_STATIC int quicklistDelIndex(quicklist *quicklist, quicklistNode *node,
                                   unsigned char **p) {
    int gone = 0;

    // 在该节点下的 ziplist 中删除
    node->zl = ziplistDelete(node->zl, p);
    // count-1
    node->count--;
    // ziplist 数量为空，直接删除该节点
    if (node->count == 0) {
        gone = 1;
        __quicklistDelNode(quicklist, node);
    } else {
        quicklistNodeUpdateSz(node);
    }
    // 更新所有 ziplist 中的总元素个数
    quicklist->count--;
    return gone ? 1 : 0;
}

quicklistDelEntry 删除节点

核心还是调用了 quicklistDelIndex，但是 quicklistDelEntry 要维护 quicklistNode 的节点，包括迭代器。

void quicklistDelEntry(quicklistIter *iter, quicklistEntry *entry) {
    quicklistNode *prev = entry->node->prev;
    quicklistNode *next = entry->node->next;
    int deleted_node = quicklistDelIndex((quicklist *)entry->quicklist,
                                         entry->node, &entry->zi);

    iter->zi = NULL;

    // 如果当前节点被删除，更新 iterator
    if (deleted_node) {
        if (iter->direction == AL_START_HEAD) {
            iter->current = next;
            iter->offset = 0;
        } else if (iter->direction == AL_START_TAIL) {
            iter->current = prev;
            iter->offset = -1;
        }
    }
}

quicklistInsertBefore, quicklistInsertAfter 前插和后插
插入分为两种：

void quicklistInsertAfter(quicklist *quicklist, quicklistEntry *node,
                          void *value, const size_t sz);
void quicklistInsertBefore(quicklist *quicklist, quicklistEntry *node,
                           void *value, const size_t sz);

其底层都调用了_quicklistInsert 函数：

void quicklistInsertBefore(quicklist *quicklist, quicklistEntry *entry,
                           void *value, const size_t sz) {
    _quicklistInsert(quicklist, entry, value, sz, 0);
}

void quicklistInsertAfter(quicklist *quicklist, quicklistEntry *entry,
                          void *value, const size_t sz) {
    _quicklistInsert(quicklist, entry, value, sz, 1);
}

_quicklistInsert 函数比较长，但是逻辑很简单，就是判断应该在哪里插入新元素：

在后面插入

当前 entry 的 ziplist 未满：直接插入
当前 entry 的 ziplist 已满：
entry->next 的 ziplist 未满：在其头部插入
entry->next 的 ziplist 已满：拆分当前 entry

在前面插入

当前 entry 的 ziplist 未满：直接插入
当前 entry 的 ziplist 已满：
entry->prev 的 ziplist 未满：在其尾部插入
entry->prev 的 ziplist 已满：拆分当前 entry

省略 _quicklistInsert函数实现。。。

listpack

listpack是什么？

紧凑列表，用一块连续的内存空间来紧凑保存数据，同时使用多种编码方式，表示不同长度的数据（字符串、整数）。

  1. 结构定义：listpack.h
  2. 实现：listpack.c

listpack数据结构

在这里插入图片描述
编码类型
在 listpack.c 文件中，有大量的 LP_ENCODING__XX_BIT_INT 和 LP_ENCODING__XX_BIT_STR 的宏定义：

#define LP_ENCODING_7BIT_UINT 0
#define LP_ENCODING_7BIT_UINT_MASK 0x80
#define LP_ENCODING_IS_7BIT_UINT(byte) (((byte)&LP_ENCODING_7BIT_UINT_MASK)==LP_ENCODING_7BIT_UINT)

#define LP_ENCODING_6BIT_STR 0x80
#define LP_ENCODING_6BIT_STR_MASK 0xC0
#define LP_ENCODING_IS_6BIT_STR(byte) (((byte)&LP_ENCODING_6BIT_STR_MASK)==LP_ENCODING_6BIT_STR)

……

listpack 元素会对不同长度的整数和字符串进行编码。

整数编码
以 LP_ENCODING_7BIT_UINT 为例，元素的实际数据是一个 7 bit 的无符号整数。

整数其余的编码方式有：

  • LP_ENCODING_16BIT_INT
  • LP_ENCODING_24BIT_INT
  • LP_ENCODING_32BIT_INT
  • LP_ENCODING_64BIT_INT

字符串编码

3 种类型：

  • LP_ENCODING_6BIT_STR
  • LP_ENCODING_12BIT_STR
  • LP_ENCODING_32BIT_STR

ziplist干啥去了？为什么有listpack?

ziplist是存储在连续内存空间，节省内存空间。quicklist是个节点为ziplist的双向链表，其通过控制quicklistNode结构里的压缩列表的大小或者元素个数，来减少连锁更新带来的性能影响，但这并没有完全解决连锁更新的问题。这是因为压缩列表连锁更新的问题来源于它的结构设计。

从Redis 5.0版本开始，设计了一个新的数据结构叫做listpack ，目的是替代原来的压缩列表。在每个listpack节点中，不再保存前一个节点的长度，所以也就不存在出现连锁更新的情况了。

Redis7.0 才将 listpack 完整替代 ziplist。

什么是ziplist的连锁更新？

ziplist中元素个数多了，其查找效率就降低。若是在ziplist里新增或修改数据，ziplist占用的内存空间还需要重新分配；更糟糕的是，ziplist新增或修改元素时候，可能会导致后续元素的previous_entry_length占用空间都发生变化，从而引起连锁更新，导致每个元素的空间都需要重新分配，更加导致其访问性能下降。

listpack 如何避免连锁更新？

为了应对这些问题，Redis先是在3.0版本实现了quicklist结构。其是在ziplist基础上，使用链表将多个ziplist串联起来，即链表的每个元素是一个ziplist。这样可以减少数据插入时内存空间的重新分配及内存数据的拷贝。而且，quicklist也限制了每个节点上ziplist的大小，要是某个ziplist的元素个数多了，会采用新增节点的方法。

但是因为quicklist使用节点结构指向了每个ziplist,这又增加了内存开销。而为了减少内存开销，并进一步避免ziplist连锁更新的问题，所以就有了listpack结构。

listpack每个列表项都只记录自己的长度，不会像 ziplist 的列表项会记录前一项的长度。所以在 listpack 中新增或修改元素，只会涉及到列表项自身的操作，不会影响后续列表项的长度变化，进而避免连锁更新。

listpack是沿用了ziplist紧凑型的内存布局。而listpack中每个节点不再包含前一节点的长度，所以当某个节点中的数据发生变化时候，导致节点的长度变化也不会影响到其他节点，这就可以避免连锁更新的问题了。

listpack相比ZipList的主要优势就在于解决了连锁更新的问题，提高了Redis的处理性能

listpack替代了quicklist吗？

在Redis 7.0版本之前，quicklist是由双向链表和压缩列表构成的。然而，在Redis 7.0版本中，quicklist的底层实现由双向链表和压缩列表变为了由双向链表和listpack构成的结构。

这表明，虽然listpack在Redis 7.0版本中被引入并用于替代压缩列表（ziplist）的部分功能，但quicklist的结构仍然存在，只是其中的压缩列表部分被listpack所替代。因此，listpack并没有完全替代quicklist，而是作为quicklist的一部分，改变了其原有的实现方式‌

在这里插入图片描述


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