Redis源码阅读笔记（1）——简单动态字符串sds实现原理

首先，sds即simple dynamic string，redis实现这个的时候使用了一个技巧，并且C99将其收录为标准，即柔性数组成员（flexible array member），参考资料见这里。柔性数组成员不占用结构体的空间，只作为一个符号地址存在，而且必须是结构体的最后一个成员。柔性数组成员不仅可以用于字符数组，还可以是元素为其它类型的数组。C99中，结构中的最后一个元素允许是未知大小的数组，这就叫做柔性数组成员，但结构中的柔性数组成员前面必须至少一个其他成员。柔性数组成员允许结构中包含一个大小可变的数组。sizeof返回的这种结构大小不包括柔性数组的内存。包含柔性数组成员的结构用malloc()函数进行内存的动态分配，并且分配的内存应该大于结构的大小，以适应柔性数组的预期大小。

Redis使用sds代替C语言中的char*，实现自定义的字符串对象，redis是K-V型DB，数据库的值可以是字符串、集合、列表多种类型，而键则总是字符串对象。Redis中的字符串分两类：二进制安全的和非二进制安全的，对于存储的值是二进制安全的，对于键是非二进制安全的。

对于二进制安全，我的理解就是把处理的字符串作为原始的、无任何特殊格式意义的数据流。

Redis中字符串类型是最基本的类型，redis自己实现的字符串对象相对char*来说，有以下两点优势：

• char*计算字符串长度，时间O(n)；
• char*对字符串进行追加，追加N次，必定需要对字符串进行N次内存重分配；

作为值存储也是最常用的，其他诸如集合、列表也是基于字符串实现的，redis字符串类型sds在sds.h、shs.c文件中定义。

定义：

// sds 类型
typedef char *sds;

// sdshdr 结构
struct sdshdr {

    // buf 已占用长度
    int len;

    // buf 剩余可用长度
    int free;

    // 实际保存字符串数据的地方
    // 利用c99(C99 specification 6.7.2.1.16)中引入的 flexible array member,通过buf来引用sdshdr后面的地址，
    // 详情google "flexible array member"
    char buf[];
};

因为自定义类型加入了长度，每次获取字符串长度的时间复杂度就是O(1)，而利用len和free属性对追加字符串进行优化，也可以降低重新分配内存的次数。但是这里也有要求就是len和free的更新要小心，不然很容易产生bug。

新建字符串对象：

sds sdsnewlen(const void *init, size_t initlen) {

    struct sdshdr *sh;

    // 有初始值
    // O(N)
    if (init) {
        sh = zmalloc(sizeof(struct sdshdr)+initlen+1);
    } else {
        sh = zcalloc(sizeof(struct sdshdr)+initlen+1);
    }

    // 内存不足，分配失败
    if (sh == NULL) return NULL;

    sh->len = initlen;
    sh->free = 0;

    // 如果给定了 init 且 initlen 不为 0 的话
    // 那么将 init 的内容复制至 sds buf
    // O(N)
    if (initlen && init)
        memcpy(sh->buf, init, initlen);

    // 加上终结符
    sh->buf[initlen] = '';

    // 返回 buf 而不是整个 sdshdr
    return (char*)sh->buf;
}

上面首先分配空间，空间大小为

sizeof(struct sdshdr)+initlen+1

即sdshdr长度+字符串长度+一个结束符''。

而且注意到，函数返回的是存储的字符串指针sh->buf，而不是sdshdr，那么如何得到sdshdr呢？

来举个例子：

sdsnewlen("redis", 5);

调用这个函数会新建一个sdshdr类型变量，其中内容如下：

len=5;

free=0;

buf="redis";

函数成功返回之后，大体是这个样子的：

-----------
|5|0|redis|
-----------
^   ^
sh  sh->buf

函数返回地址sh->buf。此时如果想得到指向sh的指针可以得到吗？该怎么做呢？

答案是通过指针运算，sh->buf 减去两个int长度之后就得到了sh的地址。来看看redis源码里是怎么做的：

static inline size_t sdslen(const sds s) {
    struct sdshdr *sh = (void*)(s-(sizeof(struct sdshdr)));
    return sh->len;
}

这里就是利用开头提到的flexible array member，char[]不占用结构体的空间，所以，s-(sizeof(struct sdshdr))恰好等于sh的地址。

优化追加操作：

上面提到了，redis使用sds比使用char*有两个地方有优势，下面来说说redis优化字符串追加操作的原理。

/*
 * 将一个 char 数组的前 len 个字节复制至 sds
 * 如果 sds 的 buf 不足以容纳要复制的内容，
 * 那么扩展 buf 的长度，让 buf 的长度大于等于 len 。
 *
 * T = O(N)
 */
sds sdscpylen(sds s, const char *t, size_t len) {

    struct sdshdr *sh = (void*) (s-(sizeof(struct sdshdr)));

    // 是否需要扩展 buf ？
    size_t totlen = sh->free+sh->len;
    if (totlen < len) {
        // 扩展 buf 长度，让它的长度大于等于 len
        // 具体的大小请参考 sdsMakeRoomFor 的注释
        // T = O(N)
        s = sdsMakeRoomFor(s,len-sh->len);
        if (s == NULL) return NULL;
        sh = (void*) (s-(sizeof(struct sdshdr)));
        totlen = sh->free+sh->len;
    }

    // O(N)
    memcpy(s, t, len);
    s[len] = '';

    sh->len = len;
    sh->free = totlen-len;

    return s;
}

上面代码功能就是把一个字符串拷贝到sds，如果sds空间不够，则调用sdsMakeRoomFor来扩容;

再来看看append代码：

/*
 * 按长度 len 扩展 sds ，并将 t 拼接到 sds 的末尾
 *
 * T = O(N)
 */
sds sdscatlen(sds s, const void *t, size_t len) {

    struct sdshdr *sh;

    size_t curlen = sdslen(s);

    // O(N)
    s = sdsMakeRoomFor(s,len);
    if (s == NULL) return NULL;

    // 复制
    // O(N)
    memcpy(s+curlen, t, len);

    // 更新 len 和 free 属性
    // O(1)
    sh = (void*) (s-(sizeof(struct sdshdr)));
    sh->len = curlen+len;
    sh->free = sh->free-len;

    // 终结符
    // O(1)
    s[curlen+len] = '';

    return s;
}

追加操作也是调用的sdsMakeRoomFor来扩展空间，追加字符串到源字符串最后。

那么sdsMakeRoomFor是怎么实现扩容的呢，具体扩容方案是什么呢？下面就是redis的源码：

/* 
 * 对 sds 的 buf 进行扩展，扩展的长度不少于 addlen 。
 *
 * T = O(N)
 */
sds sdsMakeRoomFor(
    sds s,
    size_t addlen   // 需要增加的空间长度
) 
{
    struct sdshdr *sh, *newsh;
    size_t free = sdsavail(s);
    size_t len, newlen;

    // 剩余空间可以满足需求，无须扩展
    if (free >= addlen) return s;

    sh = (void*) (s-(sizeof(struct sdshdr)));

    // 目前 buf 长度
    len = sdslen(s);
    // 新 buf 长度
    newlen = (len+addlen);
    // 如果新 buf 长度小于 SDS_MAX_PREALLOC 长度
    // 那么将 buf 的长度设为新 buf 长度的两倍
    if (newlen < SDS_MAX_PREALLOC)
        newlen *= 2;
    else
        newlen += SDS_MAX_PREALLOC;

    // 扩展长度
    newsh = zrealloc(sh, sizeof(struct sdshdr)+newlen+1);

    if (newsh == NULL) return NULL;

    newsh->free = newlen - len;

    return newsh->buf;
}

可以看到，如果新字符串长度比SDS_MAX_PREALLOC小，则将其长度double，如果大于SDS_MAX_PREALLOC则再给SDS_MAX_PREALLOC空间。这个值redis定义的是1024*1024，即1MB。

这样一来，扩容一次多给一倍请求的空间，可以减少分配内存的次数，当然稍微有点浪费，但append操作一般情况不会太多，如果场景append很多还要优化redis的代码。

小结：

1. Redis的字符串表示为sds，不是char*；
2. 对比原生char*，sds有以下优势：
   • 长度计算只需O(1)时间复杂度；
   • 字符串追加更高效；
   • 二进制安全；
3. sds对追加操作有优化，加快追加速度，降低内存重新分配次数，代价是浪费一些内存，并且不会主动释放。

 参考资料：

1. Redis String类型实现原理，http://blog.nosqlfan.com/html/2853.html
2. c99之 柔性数组成员（flexible array member），http://blog.csdn.net/sunlylorn/article/details/7544301
3. Binary-safe，http://en.wikipedia.org/wiki/Binary-safe
4. https://github.com/huangz1990/annotated_redis_source