深入理解 Redis SDS：高效字符串存储的秘密
目录
1. 引言
1.1 Redis 中字符串的广泛应用
2. SDS 结构定义
2.1 Redis 3.2 之前的 SDS 结构
2.2 Redis 3.2 及之后的 SDS 结构
3. SDS 与传统 C 字符串的比较
3.1 获取字符串长度
3.2 缓冲区溢出问题
3.3 二进制安全性
3.4 内存分配次数
4. SDS 的内存分配策略
4.1 空间预分配
4.2 惰性空间释放
5. SDS 的其他特性
5.1 兼容 C 字符串函数
5.2 类型灵活
6. SDS 的使用场景
6.1 键值对存储
6.2 数据缓存
6.3 日志系统
6.4 发布/订阅
7. 总结
1. 引言
在 Redis 中，SDS（Simple Dynamic String，简单动态字符串）是一种用于替代传统 C 语言字符串的数据结构。作为一个高性能的内存数据库，Redis 频繁进行字符串操作，而传统 C 字符串在性能和安全性上存在诸多问题。为此，Redis 专门设计了 SDS，旨在满足更高效的字符串存储和操作需求。
1.1 Redis 中字符串的广泛应用
在 Redis 中，字符串（String）是最基础、最常用的数据类型之一。其应用场景包括：
- 缓存数据（如 HTML 页面片段、用户会话信息）
- 计数器（如网站访问量、点赞数）
- 位图（Bitmap） 和 地理位置（GEO）数据 等底层数据结构的实现
- 发布/订阅（Pub/Sub）、流水线（Pipeline） 等功能的数据交互
因此，优化字符串的存储和操作效率对 Redis 性能至关重要。
2. SDS 结构定义
2.1 Redis 3.2 之前的 SDS 结构
在 Redis 3.2 之前，SDS 的结构较为简单，定义如下：
struct sdshdr {
int len; // 字符串的实际长度
int free; // 未使用的字节数
char buf[]; // 字符数组，末尾以 '\0' 兼容 C 字符串函数
};
解释：
len：存储字符串当前的长度（不包括\0）。free：记录buf数组中未使用的空间，便于后续字符串增长。buf[]：存储字符串数据，末尾保留\0以兼容 C 标准库字符串函数。
2.2 Redis 3.2 及之后的 SDS 结构
Redis 3.2 及更高版本对 SDS 进行了优化，采用了多种 SDS 结构以适应不同长度的字符串。以下是几种 SDS 类型的定义：
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr5 {
unsigned char flags; /* 低 3 位表示类型，高 5 位表示长度 */
char buf[]; // 适用于长度 < 32 字节的字符串
};
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr8 {
uint8_t len;
uint8_t alloc;
unsigned char flags;
char buf[]; // 适用于长度 < 256 字节的字符串
};
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr16 {
uint16_t len;
uint16_t alloc;
unsigned char flags;
char buf[]; // 适用于长度 < 65536 字节的字符串
};
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr32 {
uint32_t len;
uint32_t alloc;
unsigned char flags;
char buf[]; // 适用于长度 < 2^32 字节的字符串
};
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr64 {
uint64_t len;
uint64_t alloc;
unsigned char flags;
char buf[]; // 适用于长度 ≥ 2^32 字节的字符串
};
关键点：
flags字段的低 3 位标识 SDS 类型（如sdshdr8、sdshdr16等），高 5 位用于记录sdshdr5类型的字符串长度。- SDS 根据字符串长度选择合适的结构体类型，减少内存浪费，提升存储效率。
3. SDS 与传统 C 字符串的比较
3.1 获取字符串长度
- 传统 C 字符串：需遍历字符串直到遇到
\0，时间复杂度为 O(n) - SDS：直接通过
len字段获取长度，时间复杂度为 O(1)
3.2 缓冲区溢出问题
- 传统 C 字符串：
strcat()等函数可能因缓冲区空间不足导致溢出。 - SDS：每次字符串修改前都会检查
free字段中的剩余空间，若不足则自动扩展，避免溢出风险。
3.3 二进制安全性
- 传统 C 字符串：以
\0作为结束标志，无法存储带有\0的二进制数据。 - SDS：使用
len记录实际长度，允许存储任意二进制数据。
3.4 内存分配次数
- 传统 C 字符串：每次修改都会重新分配内存，效率较低。
- SDS：采用 空间预分配 和 惰性空间释放 策略，减少内存重分配次数，提高性能。
4. SDS 的内存分配策略
4.1 空间预分配
- 如果修改后的字符串长度 小于 1MB，则分配内存为
原长度的两倍 + 1字节。 - 如果修改后的字符串长度 大于等于 1MB，则分配内存为
原长度 + 1MB + 1字节。
示例：
- 原字符串
hello，长度为 5。 append(" world")后，字符串变为"hello world"，长度 11。- 此时，SDS 会分配 22 个字节的内存，满足空间预分配策略（
11 * 2 + 1 = 22）。
4.2 惰性空间释放
当 SDS 进行截断等缩短操作时，并不会立即释放多余内存，而是将其保留在 free 字段中，供后续使用。这种策略减少了频繁的内存分配操作，进一步提升了性能。
5. SDS 的其他特性
5.1 兼容 C 字符串函数
SDS 在 buf 数组末尾保留了 \0，确保兼容如 strlen()、strcat() 等 C 标准库字符串函数，降低了代码迁移的难度。
5.2 类型灵活
Redis 根据字符串长度选择最适合的 SDS 结构体：
sdshdr8适用于短字符串，节省内存。sdshdr64适用于超长字符串，满足大数据量场景需求。
6. SDS 的使用场景
6.1 键值对存储
Redis 的 SET、GET 命令广泛使用 SDS，快速获取字符串长度，提高查询效率。
6.2 数据缓存
SDS 的预分配机制减少了频繁的内存分配操作，特别适用于缓存场景。
6.3 日志系统
SDS 的二进制安全特性可存储多种格式的数据，是日志系统中的理想选择。
6.4 发布/订阅
在 Pub/Sub 场景中，SDS 可灵活地处理多种数据流格式，确保消息高效传递。
7. 总结
SDS 作为 Redis 专门设计的字符串结构，解决了传统 C 字符串在性能、安全性和内存管理方面的问题。
- 通过 空间预分配 和 惰性空间释放 策略，SDS 有效减少了内存分配次数，提高了字符串操作的性能。
- SDS 兼容 C 标准库字符串函数，具备出色的灵活性和高效性。
在 Redis 的高性能环境下，SDS 作为底层字符串结构，充分展现了其强大优势，是 Redis 高效运作的核心之一。