Redis源码剖析之SDS
SDS(simple dynamic string)是redis提供的字符串的封装，在redis中也是存在最广泛的数据结构，它也是很多其他数据结构的基础，所以才选择先介绍SDS。 SDS也兼容部分C字符串API(strcmp,strlen)，它如何兼容C字符串我觉得也是有个很sao的操作，等看完我这篇博客你就明白了。在开始正式内容前，我先抛几个问题(有些也是面试高频题)，带着问题去学习也是一种非常好的学习方法。
Redis中sds相关的源码都在src/sds.c 和src/sds.h中（链接可以直接跳转到我中文注释版redis源码），其中sds.h中定义了所有SDS的api，当然也实现了部分几个api，比如sds长度、sds剩余可用空间……，不急着看代码，我们先看下sds的数据结构，看完后为什么代码那么写你就一目了然。
sdshdr数据结构
redis提供了sdshdr5 sdshdr8 sdshdr16 sdshdr32 sdshdr64这几种sds的实现，其中除了sdshdr5比较特殊外，其他几种sdshdr差不只在于两个字段的类型差别。我就拿 sdshdr8和sdshdr16来举例，其struct定义分别如下。
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr8 {
uint8_t len; /* 已使用空间大小 */
uint8_t alloc; /* 总共可用的字符空间大小，应该是实际buf的大小减1(因为c字符串末尾必须是 ,不计算在内) */
unsigned char flags; /* 标志位，主要是识别这是sdshdr几，目前只用了3位，还有5位空余 */
char buf[]; /* 真正存储字符串的地方 */
};struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr16 {
uint16_t len; /* used */
uint16_t alloc; /* excluding the header and null terminator */
unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits */
char buf[];
};
sdshdr32 sdshdr64也和上面的结构一致，差别只在于len和alloc的数据类型不一样而已。相较于c原生的字符串，sds多了len、alloc、flag三个字段来存储一些额外的信息，redis考虑到了字符串拼接时带来的巨大损耗，所以每次新建sds的时候会预分配一些空间来应对未来的增长，sds和C string的关系熟悉JAVA的旁友可能会决定就好比java中String和StringBuffer的关系。正是因为预留空间的机制，所以redis需要记录下来已分配和总空间大小，当然可用空间可用直接算出来。
下一个问题，为什么redis费心费力要提供sdshdr5到sdshdr64这五种SDS呢？我觉着这只能说明Redis作者抠内存抠到机制，牺牲了代码的简洁性换取了每个sds省下来的几个字节的内存空间。从sds初始化方法sdsnew和sdsnewlen中我们就可以看出，redis在新建sds时需要传如初始化长度，然后根据初始化的长度确定用哪种sdshdr，小于2^8长度的用sdshdr8，这样len和alloc只占用两个字节，比较短字符串可能非常多，所以节省下来的内存还是非常可观的，知道了sds的数据结构和设计原理，sdsnewlen的代码就非常好懂了，如下：
sds sdsnewlen(const void *init, size_t initlen) {
void *sh; sds s; // 根据初始化的长度确定用哪种sdshdr char type = sdsReqType(initlen);
/* 空字符串大概率之后会Append，但sdshdr5不适合用来append，所以直接替换成sdshdr8 */ if (type == SDS_TYPE_5 && initlen == 0) type = SDS_TYPE_8;
int hdrlen = sdsHdrSize(type);
unsigned char *fp; /* flags pointer. */
sh = s_malloc(hdrlen+initlen+1);
if (sh == NULL) return NULL;
if (init==SDS_NOINIT)
init = NULL; else if (!init)
memset(sh, 0, hdrlen+initlen+1);
/* 注意：返回的s并不是直接指向sds的指针，而是指向sds中字符串的指针，sds的指针还需要 * 根据s和hdrlen计算出来 */ s = (char*)sh+hdrlen;
fp = ((unsigned char*)s)-1;
switch(type) {
case SDS_TYPE_5: { *fp = type | (initlen << SDS_TYPE_BITS);
break;
} case SDS_TYPE_8: { SDS_HDR_VAR(8,s);
sh->len = initlen;
sh->alloc = initlen; *fp = type;
break;
} case SDS_TYPE_16: { SDS_HDR_VAR(16,s);
sh->len = initlen;
sh->alloc = initlen; *fp = type;
break;
} case SDS_TYPE_32: { SDS_HDR_VAR(32,s);
sh->len = initlen;
sh->alloc = initlen; *fp = type;
break;
} case SDS_TYPE_64: { SDS_HDR_VAR(64,s);
sh->len = initlen;
sh->alloc = initlen; *fp = type;
break;
} } if (initlen && init)
memcpy(s, init, initlen); s[initlen] = ' ';
return s;
}
SDS的使用
上面代码中我特意标注了一个注意，sdsnewlen()返回的sds指针并不是直接指向sdshdr的地址，而是直接指向了sdshdr中buf的地址。这样做有啥好处？好处就是这样可以兼容c原生字符串。buf其实就是C 原生字符串+部分空余空间，中间是特殊符号' '隔开，‘ ’有是标识C字符串末尾的符号，这样就实现了和C原生字符串的兼容，部分C字符串的API也就可以直接使用了。 当然这也有坏处，这样就没法直接拿到len和alloc的具体值了，但是也不是没有办法。
当我们拿到一个sds，假设这个sds就叫s吧，其实一开始我们对这个sds一无所知，连他是sdshdr几都不知道，这时候可以看下s的前面一个字节，我们已经知道sdshdr的数据结构了，前一个字节就是flag，根据flag具体的值我们就可以推断出s具体是哪个sdshdr，也可以推断出sds的真正地址，相应的就知道了它的len和alloc，知道了这点，下面这些有点晦涩的代码就很好理解了。
oldtype = s[-1] & SDS_TYPE_MASK; // SDS_TYPE_MASK = 7 看下s前面一个字节(flag)推算出sdshdr的类型。
// 这个宏定义直接推算出sdshdr头部的内存地址#define SDS_HDR(T,s) ((struct sdshdr##T *)((s)-(sizeof(struct sdshdr##T))))#define SDS_TYPE_5_LEN(f) ((f)>>SDS_TYPE_BITS)// 获取sds支持的长度 static inline size_t sdslen(const sds s) { unsigned char flags = s[-1]; // -1 相当于获取到了sdshdr中的flag字段
switch(flags&SDS_TYPE_MASK) { case SDS_TYPE_5: return SDS_TYPE_5_LEN(flags);
case SDS_TYPE_8: return SDS_HDR(8,s)->len; // 宏替换获取到sdshdr中的len
... // 省略 SDS_TYPE_16 SDS_TYPE_32的代码…… case SDS_TYPE_64: return SDS_HDR(64,s)->len;
} return 0;
}// 获取sds剩余可用空间大小 static inline size_t sdsavail(const sds s) { unsigned char flags = s[-1];
switch(flags&SDS_TYPE_MASK) { case SDS_TYPE_5: { return 0;
} case SDS_TYPE_8: { SDS_HDR_VAR(8,s);
return sh->alloc - sh->len;
} ... // 省略 SDS_TYPE_16 SDS_TYPE_32的代码…… case SDS_TYPE_64: { SDS_HDR_VAR(64,s);
return sh->alloc - sh->len;
} } return 0;
}/* 返回sds实际的起始位置指针 */void *sdsAllocPtr(sds s) { return (void*) (s-sdsHdrSize(s[-1]));
}
SDS的扩容
在做字符串拼接的时候，sds可能剩余的可用空间不足，这个时候需要扩容，什么时候该扩容，又该怎么扩? 这是不得不考虑的问题。Java中很多数据结构都有动态扩容的机制，比如和sds很类似的StringBuffer，HashMap，他们都会在使用过程中动态判断是否空间充足，而且基本上都采用了先指数扩容，然后到一定大小限制后才开始线性扩容的方式，Redis也不例外，Redis在10241024以内都是2倍的方式扩容，只要不超出10241024都是先额外申请200%的空间，但一旦总长度超过10241024字节，那每次最多只会扩容10241024字节。 Redis中sds扩容的代码是在sdsMakeRoomFor()，可以看到很多字符串变更的API开头都直接或者间接调用这个。 和Java中StringBuffer扩容不同的是，Redis这里还需要考虑不同字符串长度时sdshdr类型的变化，具体代码如下：
// 扩大sds的实际可用空间，以便后续能拼接更多字符串。
// 注意：这里实际不会改变sds的长度，只是增加了更多可用的空间(buf) sds sdsMakeRoomFor(sds s, size_t addlen) { void *sh, *newsh; size_t avail = sdsavail(s); size_t len, newlen;
char type, oldtype = s[-1] & SDS_TYPE_MASK; // SDS_TYPE_MASK = 7
int hdrlen; /* 如果有足够的剩余空间，直接返回 */ if (avail >= addlen) return s;
len = sdslen(s);
sh = (char*)s-sdsHdrSize(oldtype);
newlen = (len+addlen);
// 在未超出SDS_MAX_PREALLOC前，扩容都是按2倍的方式扩容，超出后只能递增
if (newlen < SDS_MAX_PREALLOC) // SDS_MAX_PREALLOC = 1024*1024
newlen *= 2;
else
newlen += SDS_MAX_PREALLOC; type = sdsReqType(newlen);
/* 在真正使用过程中不会用到type5，如果遇到type5直接使用type8*/ if (type == SDS_TYPE_5) type = SDS_TYPE_8;
hdrlen = sdsHdrSize(type);
if (oldtype==type) {
newsh = s_realloc(sh, hdrlen+newlen+1);
if (newsh == NULL) return NULL;
s = (char*)newsh+hdrlen;
} else {
// 扩容其实就是申请新的空间，然后把旧数据挪过去 newsh = s_malloc(hdrlen+newlen+1);
if (newsh == NULL) return NULL;
memcpy((char*)newsh+hdrlen, s, len+1);
s_free(sh); s = (char*)newsh+hdrlen;
s[-1] = type;
sdssetlen(s, len);
} sdssetalloc(s, newlen); return s;
}
常用API
sds.c还有很多源码我都没有贴到，其他代码本质上都是围绕sdshdr数据结构和各种字符串操作写的(基本上都是各种字符串新建、拼接、拷贝、扩容……)，只要知道了sds的设计原理，相信你也能轻易写出来，这里我就列一下所有sds相关的API，对源码有兴趣的旁友可以移步到src/sds.c，中文注释版的API列表见src/sds.c
sds sdsnewlen(const void *init, size_t initlen); // 新建一个容量为initlen的sds
sds sdsnew(const char *init); // 新建sds，字符串为null，默认长度0
sds sdsempty(void); // 新建空字符“”
sds sdsdup(const sds s); // 根据s的实际长度创建新的sds，目的是降低内存的占用
void sdsfree(sds s); // 释放sds
sds sdsgrowzero(sds s, size_t len); // 把sds增长到指定的长度，增长出来的新的空间用0填充
sds sdscatlen(sds s, const void *t, size_t len); // 在sds上拼接字符串t的指定长度部分
sds sdscat(sds s, const char *t); // 把字符串t拼接到sds上
sds sdscatsds(sds s, const sds t); // 把两个sds拼接在一起
sds sdscpylen(sds s, const char *t, size_t len); // 把字符串t指定长度的部分拷贝到sds上
sds sdscpy(sds s, const char *t); // 把字符串t拷贝到sds上
sds sdscatvprintf(sds s, const char *fmt, va_list ap); // 把用printf格式化后的字符拼接到sds上
sds sdscatfmt(sds s, char const *fmt, ...); // 将多个参数格式化成一个字符串后拼接到sds上
sds sdstrim(sds s, const char *cset); // 在sds中移除开头或者末尾在cset中的字符
void sdsrange(sds s, ssize_t start, ssize_t end); // 截取sds的子串
void sdsupdatelen(sds s); // 更新sds字符串的长度
void sdsclear(sds s); // 清空sds中的内容，但不释放空间
int sdscmp(const sds s1, const sds s2); // sds字符串比较大小
sds *sdssplitlen(const char *s, ssize_t len, const char *sep, int seplen, int *count);void sdsfreesplitres(sds *tokens, int count);void sdstolower(sds s); // 字符串转小写
void sdstoupper(sds s); // 字符串转大写
sds sdsfromlonglong(long long value); // 把一个long long型的数转成sds
sds sdscatrepr(sds s, const char *p, size_t len); sds *sdssplitargs(const char *line, int *argc);sds sdsmapchars(sds s, const char *from, const char *to, size_t setlen);sds sdsjoin(char **argv, int argc, char *sep); // 把字符串数组按指定的分隔符拼接起来
sds sdsjoinsds(sds *argv, int argc, const char *sep, size_t seplen); // 把sds数组按指定的分隔符拼接起来
/* sds底层api */
sds sdsMakeRoomFor(sds s, size_t addlen); // sds扩容
void sdsIncrLen(sds s, ssize_t incr); // 扩容指定长度
sds sdsRemoveFreeSpace(sds s); // 释放sds占用的多余空间
size_t sdsAllocSize(sds s); // 返回sds总共占用的内存大小
void *sdsAllocPtr(sds s); // 返回sds实际的起始位置指针
void *sds_malloc(size_t size); // 为sds分配空间
void *sds_realloc(void *ptr, size_t size); //
void sds_free(void *ptr); // 释放sds空间
结语
回到开篇的几个问题，相信看完上面的内容后你都能回答上来了，如果回答不上来那就再多看两遍，本博客+源码搭配服用效果更佳。
为了控制博客篇幅，这里只讲解了核心代码，很多API的源码我都没有贴上来(毕竟太多)，有兴趣的同学可以再看下源码 https://github.com/xindoo/redis/。
本文是Redis源码剖析系列博文，同时也有与之对应的Redis中文注释版，有想深入学习Redis的同学，欢迎star和关注。 Redis中文注解版仓库：https://github.com/xindoo/redis
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