Redis源码剖析（二）简单动态字符串

 Redis没有使用C语言的字符串结构，而是自己设计了一个简单的动态字符串结构sds。它的特点是：可动态扩展内存、二进制安全和与传统的C语言字符串类型兼容。下面就从源码的角度来分析一下Redis中sds的实现。

1 SDS的定义

// sds兼容传统C风格字符串，所以起了个别名叫sds，并且可以存放sdshdr结构buf成员的地址
typedef char *sds; 

SDS也有一个表头（header）用来存放sds的信息。

/*
 * 保存字符串对象的结构
 */
struct sdshdr {
    
    // buf 中已占用空间的长度
    int len;

    // buf 中剩余可用空间的长度
    int free;

    // 数据空间
    char buf[];
};

以下为一个SDS示例：

len为5，表示这个sds长度为5字节。
free为0，表示这个sds没有未使用的空间。
buf是一个char[]的数组，分配了（len+1+free）个字节的长度，前len个字节保存着’R’、’e’、’d’、’i’、’s’这5个字符，接下来的1个字节保存着’\0’，剩下的free个字节未使用。

2 SDS的优点

2.1 杜绝缓冲区溢出

因为SDS表头的free成员记录着buf字符数组中未使用空间的字节数，所以，在进行APPEND命令向字符串后追加字符串时，如果不够用会先进行内存扩展，在进行追加。

总之，正是因为表头的存在，使得redis的字符串有这么多优点。

2.2 获得字符串长度的操作复杂度为O(1)

传统的C字符串获得长度时的做法：遍历字符串的长度，遇零则止，复杂度为O(n)。

而SDS表头的len成员就保存着字符串长度，所以获得字符串长度的操作复杂度为O(1)。

2.3 二进制安全（Binary Safe）

因为传统C字符串符合ASCII编码，这种编码的操作的特点就是：遇零则止 。即，当读一个字符串时，只要遇到’\0’结尾，就认为到达末尾，就忽略’\0’结尾以后的所有字符。因此，如果传统字符串保存图片，视频等二进制文件，操作文件时就被截断了。

3 SDS内存分配及释放策略

3.1 SDS内存分配策略—空间预分配

空间预分配策略用于优化SDS的字符串增长操作。

如果对SDS进行修改后，SDS表头的len成员小于1MB，那么就会分配和len长度相同的未使用空间。free和len成员大小相等。
如果对SDS进行修改后，SDS的长度大于等于1MB，那么就会分配1MB的未使用空间。
通过空间预分配策略，Redis可以减少连续执行字符串增长操作所需的内存重分配次数。

源代码如下：

sds sdsMakeRoomFor(sds s, size_t addlen) 
{
    struct sdshdr *sh, *newsh;

    // 获取 s 目前的空余空间长度
    size_t free = sdsavail(s);

    size_t len, newlen;

    // s 目前的空余空间已经足够，无须再进行扩展，直接返回
    if (free >= addlen) return s;

    // 获取 s 目前已占用空间的长度
    len = sdslen(s);
    sh = (void*) (s-(sizeof(struct sdshdr)));

    // s 最少需要的长度
    newlen = (len+addlen);

    // 根据新长度，为 s 分配新空间所需的大小
    if (newlen < SDS_MAX_PREALLOC)
        // 如果新长度小于 SDS_MAX_PREALLOC 
        // 那么为它分配两倍于所需长度的空间
        newlen *= 2;
    else
        // 否则，分配长度为目前长度加上 SDS_MAX_PREALLOC
        newlen += SDS_MAX_PREALLOC;
    // T = O(N)
    newsh = zrealloc(sh, sizeof(struct sdshdr)+newlen+1);

    if (newsh == NULL) return NULL;

    // 更新 sds 的空余长度
    newsh->free = newlen - len;

    return newsh->buf;
}

3.2 SDS内存释放策略—惰性空间释放

惰性空间释放用于优化SDS的字符串缩短操作。

当要缩短SDS保存的字符串时，程序并不立即使用内存充分配来回收缩短后多出来的字节，而是使用表头的free成员将这些字节记录起来，并等待将来使用。
源代码如下：

void sdsclear(sds s) 
{
    // 取出 sdshdr
    struct sdshdr *sh = (void*) (s-(sizeof(struct sdshdr)));

    // 重新计算属性
    sh->free += sh->len;
    sh->len = 0;

    // 将结束符放到最前面（相当于惰性地删除 buf 中的内容）
    sh->buf[0] = '\0';
}