redis数据结构字典

字典，是一种用于保存键值对的抽象数据结构。在字典中，一个键对应一个值。字典中的每个键都是独一无二的，程序可以再字典中根据键查找与之关联的值，更新值，或者删除整个键值对。字典经常作为一种数据结构在高级语言里，C语言中没有内置这种数据结构，所以Redis构建了自己的字典实现。

字典的实现

Redis的字典使用哈希表作为底层实现，一个哈希表里面可以哈希节点，每个哈希节点就保存了字典中的一个键值对

哈希表

Redis 所使用的哈希表由 dictht 结构定义

typedef struct dictht {
    // 哈希表数组，数组中的每个元素都是一个指向 dictEntry 结构的指针，每个 dictEntry 都保存着一个键值对
    dictEntry **table;
    // 哈希表大小，也是哈希表数组的大小
    unsigned long size;
    // 哈希表大小掩码，用于计算索引值。总是等于size-1
    unsigned long sizemask;
    // 该哈希表已有节点数量
    unsigned long used;
} dictht;

一个大小为4的空哈希表

哈希表节点

哈希表节点使用 dictEntry 结构表示，每个 dictEntry 结构都保存着一个键值对

typedef struct dictEntry {
    // 键
    void *key;
    // 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。可以将多个哈希值相同的键值对链接再一起，来解决哈希冲突问题。
    struct dictEntry *next;
} dictEntry;

两个哈希值相同的键

 

 字典

Redis 中的字典由 dict 结构实现

typedef struct dict {
    // 类型特性函数，指向 dictType 的指针，每个 dictType 结构保存了用于操作特定类型键值对的函数
    dictType *type;
    // 私有数据，保存了需要传给类型特定函数的可选参数
    void *privdata;
    // 哈希表，一般情况下只使用ht[0]哈希表，ht[1]只会在 rehash 时使用
    dictht ht[2];
    // rehash索引，当rehash不在进行时，值为-1
    long rehashidx; /* rehashing not in progress if rehashidx == -1 */
} dict;

typedef struct dictType {
    // 计算哈希值的函数
    uint64_t (*hashFunction)(const void *key);
    // 复制键的函数
    void *(*keyDup)(void *privdata, const void *key);
    // 复制值的函数
    void *(*valDup)(void *privdata, const void *obj);
    // 对比键的函数
    int (*keyCompare)(void *privdata, const void *key1, const void *key2);
    // 销毁键的函数
    void (*keyDestructor)(void *privdata, void *key);、
    // 销毁值的函数
    void (*valDestructor)(void *privdata, void *obj);
} dictType;

普通状态下没有进行rehash的字典

 

rehash 

当哈希表保存的键值对数量太多或者太少时，程序需要对哈希表的大小进行相应的扩展或收缩。扩展和收缩哈希表可以通过 rehash 操作来完成。

哈希表执行 rehash 的步骤

1. 为字典的 h[1] 哈希表分配空间。如果执行的是扩展操作，ht[1] 的大小为第一个大于等于 ht[0].used * 2 的 2 ⁿ，如果执行的是收缩操作，ht[1] 的大小为第一个大于等于 ht[0].used 的 2ⁿ。（有点绕，可以这样理解，如果是扩展操作的话判断 2¹ 是否大于等于 ht[0].used*2，如果不成立的话继续判断 2² 以此类推，收缩同理）
2. 将保存在 ht[0] 中的所有键值对 rehash 到 ht[1] 上。
3. 当 ht[0] 上的所有键值对都 rehash 到 ht[1] 上之后（ht[0] 变为空表），释放 ht[0] 将 ht[1] 设置为 ht[0] ，在 ht[1] 创建一个空白的哈希表为下一次 rehash 做准备。

哈希表的扩展与收缩

当以下条件中的任意一个满足时，程序会自动开始对哈希表执行扩展操作：

1. 服务器目前没有在执行BGSAVE命令或者BGREWRITEAOF命令，并且哈希表的负载因子大于等于1。
2. 服务器目前正在执行BGSAVE命令或者BGREWRITEAOF命令，并且哈希表的负载因子大于等于5。

#负载因子=哈希表已保存节点数量/哈希表大小

load_factor = ht[0].user / ht[0].size

当哈希表的负载因子小于0.1时，程序自动开始对哈希表执行收缩操作。

渐进式的 rehash

rehash 并不是一次性、集中式完成的，而是分多次、渐进的完成。

渐进式 rehash 的步骤

1. 为 ht[1] 分配空间，让字典同时持有 ht[1] 和 ht[0]。
2. 在字典中维持一个索引计数器变量 rehashidx ，并将他的值设置为0，表示 rehash 工作正式开始。
3. 在 rehash 进行期间，每次对字典进行操作时，程序还会顺带将 ht[0] 哈希表在 rehashidx 索引上的所有键值对 rehash 到 ht[1]，当 rehash 工作完成后，程序将 rehashidx 属性的值增一。
4. 随着字典操作的不断执行，ht[0] 的所有键值对都会被 rehash 到 ht[1] 上，这时程序将 rehashidx 属性值设置为-1，表示 rehash 操作已完成。

要在进行渐进式 rehash 的过程中查找字典的一个键的话会先在 ht[0] 中找，如果找不到会到 ht[1] 里面进行查找。

在渐进式 rehash 的执行期间，所有的添加的新键值对都会保存到 ht[1] 里，ht[0] 不会再执行任何添加操作，保证了 ht[0] 中键值对的数量只减不增。

字典的主要操作 API

本文参考《Redis设计与实现》