redis 从0到1完整学习 (六):Hash 表数据结构

发布时间:2023年12月22日


1. 引言

前情提要:
《redis 从0到1完整学习 (一):安装&初识 redis》
《redis 从0到1完整学习 (二):redis 常用命令》
《redis 从0到1完整学习 (三):redis 数据结构》
《redis 从0到1完整学习 (四):字符串 SDS 数据结构》
《redis 从0到1完整学习 (五):集合 IntSet 数据结构》
本文主要结合源码来介绍 hash 表的数据结构

2. redis 源码下载

Redis 源码可以点击这里下载,方便查看其中定义的一些数据结构。
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3. dict 数据结构

Dict 由三部分组成,分别是:哈希表(DictHashTable)、哈希节点(DictEntry)、字典(Dict),数据结构如下:
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dict、dictht、dictEntry 三者的数据结构关系如下:
在这里插入图片描述

当 Dict 添加键值对时,首先由 key 计算出 hash 值 h,通过 h & sizemask (等同取模计算,提升计算速度) 计算元素对应数组中的索引位置。假设哈希值 h = 5,则 5&7=5,因此键值对存储到数组索引为5的位置。

如下图:第一次插入到下标为5的数组中。
在这里插入图片描述

如果第二次插入的 hash 值计算后的下标也是5,则第二次插入到链表的头部:
在这里插入图片描述

4. 哈希表扩容与 rehash

当哈希表中元素越来越多导致哈希冲突增多时,链表过长后,会查询效率降低,由查询的时间复杂度最开始的 O(1) 向 O(n) 移动。

这部分源码在 Redis 的好几个版本都有所变化,主要是看看扩容的条件:
(1)Redis 6.0
这里是直接判断 ht->used == ht->size

/* Expand the hash table if needed */
static int _dictExpandIfNeeded(dict *ht) {
    /* If the hash table is empty expand it to the initial size,
     * if the table is "full" dobule its size. */
    if (ht->size == 0)
        return dictExpand(ht, DICT_HT_INITIAL_SIZE);
    if (ht->used == ht->size)
        return dictExpand(ht, ht->size*2);
    return DICT_OK;
}

(2)Redis 6.2
引入哈希表的负载因子:LoadFactor = used/size。在每次新增键值对时都会检查负载因子。

/* Expand the hash table if needed */
static int _dictExpandIfNeeded(dict *d)
{
    // 已经在 rehash, 则返回
    if (dictIsRehashing(d)) return DICT_OK;

    // 如果为空,则初始化 size 为4
    if (d->ht[0].size == 0) return dictExpand(d, DICT_HT_INITIAL_SIZE);

    // 如果负载因子 > dict_force_resize_ratio(定义为5),则扩容
    if (d->ht[0].used >= d->ht[0].size &&
        (dict_can_resize ||
         d->ht[0].used/d->ht[0].size > dict_force_resize_ratio) &&
        dictTypeExpandAllowed(d))
    {
        return dictExpand(d, d->ht[0].used + 1);
    }
    return DICT_OK;
}

(3)Redis 7.2

/* Expand the hash table if needed */
static int _dictExpandIfNeeded(dict *d)
{
    /* Incremental rehashing already in progress. Return. */
    if (dictIsRehashing(d)) return DICT_OK;

    /* If the hash table is empty expand it to the initial size. */
    if (DICTHT_SIZE(d->ht_size_exp[0]) == 0) return dictExpand(d, DICT_HT_INITIAL_SIZE);

    /* If we reached the 1:1 ratio, and we are allowed to resize the hash
     * table (global setting) or we should avoid it but the ratio between
     * elements/buckets is over the "safe" threshold, we resize doubling
     * the number of buckets. */
    if (!dictTypeExpandAllowed(d))
        return DICT_OK;
    if ((dict_can_resize == DICT_RESIZE_ENABLE &&
         d->ht_used[0] >= DICTHT_SIZE(d->ht_size_exp[0])) ||
        (dict_can_resize != DICT_RESIZE_FORBID &&
         d->ht_used[0] / DICTHT_SIZE(d->ht_size_exp[0]) > dict_force_resize_ratio))
    {
        return dictExpand(d, d->ht_used[0] + 1);
    }
    return DICT_OK;
}

下面以 Redis 6.2 源码介绍下扩容的核心方法_dictExpand

/* Expand or create the hash table,
 * when malloc_failed is non-NULL, it'll avoid panic if malloc fails (in which case it'll be set to 1).
 * Returns DICT_OK if expand was performed, and DICT_ERR if skipped. */
int _dictExpand(dict *d, unsigned long size, int* malloc_failed)
{
    if (malloc_failed) *malloc_failed = 0;
    // 如果当前 size 大于要申请的 size,或者正在 rehash,则报错
    if (dictIsRehashing(d) || d->ht[0].used > size)
        return DICT_ERR;
    dictht n; /* the new hash table */
    // 初始化第一个大于等于 size 的 2^n 数,这个数赋值为 realsize,但是不会低于4
    unsigned long realsize = _dictNextPower(size);
    ...
	
    // 重置 hash 表的大小和掩码,并且分配新内存
    n.size = realsize;
    n.sizemask = realsize-1;
    if (malloc_failed) {
        n.table = ztrycalloc(realsize*sizeof(dictEntry*));
        *malloc_failed = n.table == NULL;
        if (*malloc_failed)
            return DICT_ERR;
    } else
        n.table = zcalloc(realsize*sizeof(dictEntry*));

    n.used = 0;

    // 第一次初始化,则直接返回
    if (d->ht[0].table == NULL) {
        d->ht[0] = n;
        return DICT_OK;
    }
	// 如果不是第一次初始化,说明是扩容,需要 rehash,将 rehashidx 置为0,在后续增删改,会触发 rehash
    d->ht[1] = n;
    d->rehashidx = 0;
    return DICT_OK;
}

上面代码的最后只是说明了要进行 rehash 操作,在 rehash 过程中:

  • 每次增、删、改、查,都会把 dict.ht[0].table[rehashidx] 的值 rehash 到 dict.ht[1] 中,同时 rehashidx++,这样渐进式地 rehash,防止 rehash 阻塞主进程太久,影响效率。
  • 新增操作,直接写入ht[1]
  • 删、改、查会在 dict.ht[0],dict.ht[1] 依次查找。

5. 参考

《redis 从0到1完整学习 (一):安装&初识 redis》
《redis 从0到1完整学习 (二):redis 常用命令》
《redis 从0到1完整学习 (三):redis 数据结构》
《redis 从0到1完整学习 (四):字符串 SDS 数据结构》
《redis 从0到1完整学习 (五):集合 IntSet 数据结构》

文章来源:https://blog.csdn.net/qq_36803941/article/details/135145078
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