Redis设计与实现之压缩列表

目录

一、 压缩列表

1、ziplist的构成

2、节点的构成

pre_entry_length

encoding 和 length

content

3、创建新 ziplist

4、将节点添加到末端

5、将节点添加到某个/某些节点的前面

6、删除节点

7、遍历

8、查找元素、根据值定位节点

二、小结

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一、 压缩列表

Ziplist 是由一系列特殊编码的内存块构成的列表，一个 ziplist 可以包含多个节点(entry)，每个节点可以保存一个长度受限的字符数组(不以 \0 结尾的 char 数组)或者整数，包括:

? 字符数组

– 长度小于等于 63 (26 ? 1)字节的字符数组
– 长度小于等于 16383 (214 ? 1)字节的字符数组
– 长度小于等于 4294967295 (232 ? 1)字节的字符数组

? 整数
– 4 位长，介于 0 至 12 之间的无符号整数 – 1 字节长，有符号整数
– 3 字节长，有符号整数
– int16_t 类型整数
– int32_t 类型整数
– int64_t 类型整数

因为 ziplist 节约内存的性质，它被哈希键、列表键和有序集合键作为初始化的底层实现来使 用。本章先介绍 ziplist 的组成结构，以及 ziplist 节点的编码方式，然后介绍 ziplist 的添加操作和 删除操作的执行过程，以及这两种操作可能引起的连锁更新现象，最后介绍 ziplist 的遍历方法 和节点查找方式。

1、ziplist的构成

下图展示了一个 ziplist的典型分布结构：

图中各个域的作用如下：

为了方便地取出 ziplist的各个域以及一些指针地址， ziplist模块定义了以下宏：

因为 ziplist header 部分的长度总是固定的（ 4字节 +4字节 +2字节） ，因此将指针移动到表头节点的复杂度为常数时间；除此之外，因为表尾节点的地址可以通过 zltail计算得出，因此将指针移动到表尾节点的复杂度也为常数时间。

以下是用于操作 ziplist的函数：

因为 ziplist 由连续的内存块构成，在最坏情况下，当 ziplistPush 、ziplistDelete 这类对 节点进行增加或删除的函数之后，程序需要执行一种称为连锁更新的动作来维持 ziplist 结构本 身的性质，所以这些函数的最坏复杂度都为 O(N2) 。不过，因为这种最坏情况出现的概率并不 高，所以大可以放心使用 ziplist ，而不必太担心出现最坏情况。

2、节点的构成

一个 ziplist 可以包含多个节点，每个节点可以划分为以下几个部分:?

以下几个小节将分别对这个四个部分进行介绍。

pre_entry_length

pre_entry_length 记录了前一个节点的长度，通过这个值，可以进行指针计算，从而跳转到 上一个节点。

上图展示了如何通过一个节点向前跳转到另一个节点:用指向当前节点的指针 e ，减去 pre_entry_length 的值(0000 0101 的十进制值，5)，得出的结果就是指向前一个节点的地 址p。

根据编码方式的不同，pre_entry_length 域可能占用 1 字节或者 5 字节:

• 1 字节:如果前一节点的长度小于 254 字节，那么只使用一个字节保存它的值。

• 5 字节:如果前一节点的长度大于等于 254 字节，那么将第 1 个字节的值设为 254 ，然 后用接下来的 4 个字节保存实际长度。

  作为例子，以下是一个长度为 1 字节的 pre_entry_length 域，域的值为 128 (二进制为 1000 0000 ):

?而以下则是一个长度为 5 字节的 pre_entry_length 域，域的第一个字节被设为 254 的二进制 1111 1110 ，而之后的四个字节则被设置为 10086 的二进制 10 0111 0110 0110 (多余的高 位用 0 补完):

encoding 和 length

encoding 和 length 两部分一起决定了 content 部分所保存的数据的类型(以及长度)。 其中，encoding 域的长度为两个 bit ，它的值可以是 00 、01 、10 和 11 :

? 00 、01 和 10 表示 content 部分保存着字符数组。

? 11 表示 content 部分保存着整数。
以 00 、01 和 10 开头的字符数组的编码方式如下:

?表格中的下划线 _ 表示留空，而变量 b 、x 等则代表实际的二进制数据。为了方便阅读，多个 字节之间用空格隔开。

11 开头的整数编码如下:

content

content 部分保存着节点的内容，它的类型和长度由 encoding 和 length 决定。 以下是一个保存着字符数组 hello world 的节点的例子:

encoding 域的值 00 表示节点保存着一个长度小于等于 63 字节的字符数组，length 域给出 了这个字符数组的准确长度——11 字节(的二进制 001011)，content 则保存着字符数组值 hello world 本身(为了表示的简单，content 部分使用字符而不是二进制表示)。

以下是另一个节点，它保存着整数 10086 :

encoding 域的值 11 表示节点保存的是一个整数;而 length 域的值 000000 表示这个节点的 值的类型为 int16_t ;最后，content 保存着整数值 10086 本身(为了表示的简单，content 部分用十进制而不是二进制表示)。

3、创建新 ziplist

函数 ziplistNew 用于创建一个新的空白 ziplist ，这个 ziplist 可以表示为下图:

空白 ziplist 的表头、表尾和末端处于同一地址。
创建了 ziplist 之后，就可以往里面添加新节点了，根据新节点添加位置的不同，这个工作可以分为两类来进行:
1. 将节点添加到 ziplist 末端:在这种情况下，新节点的后面没有任何节点。
2. 将节点添加到某个/某些节点的前面:在这种情况下，新节点的后面有至少一个节点。

以下两个小节分别讨论这两种情况。

4、将节点添加到末端

将新节点添加到 ziplist 的末端需要执行以下三个步骤:

1. 记录到达 ziplist 末端所需的偏移量(因为之后的内存重分配可能会改变 ziplist 的地址， 因此记录偏移量而不是保存指针)

2. 根据新节点要保存的值，计算出编码这个值所需的空间大小，以及编码它前一个节点的长度所需的空间大小，然后对 ziplist 进行内存重分配。

3. 设置新节点的各项属性:pre_entry_length、encoding、length和content。

4. 更新 ziplist 的各项属性，比如记录空间占用的 zlbytes ，到达表尾节点的偏移量 zltail，以及记录节点数量的 zllen 。

举个例子，假设现在要将一个新节点添加到只含有一个节点的 ziplist 上，程序首先要执行步骤

1 ，定位 ziplist 的末端:

然后执行步骤 2 ，程序需要计算新节点所需的空间: 假设我们要添加到节点里的值为字符数组 hello world ，那么保存这个值共需要 12 字节的空

间:

? 11 字节用于保存字符数组本身;

? 另外 1 字节中的 2 bit 用于保存类型编码 00 ，而其余 6 bit 则保存字符数组长度 11 的二 进制 001011 。

另外，节点还需要 1 字节，用于保存前一个节点的长度 5 (二进制 101 )。

合算起来，为了添加新节点，ziplist 总共需要多分配 13 字节空间。以下是分配完成之后， ziplist 的样子:

?步骤三，更新新节点的各项属性(为了表示的简单，content 的内容使用字符而不是二进制来表示):

最后一步，更新 ziplist 的 zlbytes 、zltail 和 zllen 属性:

到这一步，添加新节点到表尾的工作正式完成。

Note: 这里没有演示往空 ziplist 添加第一个节点的过程，因为这个过程和上面演示的添加第 二个节点的过程类似;而且因为第一个节点的存在，添加第二个节点的过程可以更好地展示“将 节点添加到表尾”这一操作的一般性。

5、将节点添加到某个/某些节点的前面

比起将新节点添加到 ziplist 的末端，将一个新节点添加到某个/某些节点的前面要复杂得多，因为这种操作除了将新节点添加到 ziplist 以外，还可能引起后续一系列节点的改变。 举个例子，假设我们要将一个新节点 new 添加到节点 prev 和 next 之间:

程序首先为新节点扩大 ziplist 的空间:

?

然后设置 new 节点的各项值——到目前为止，一切都和前面介绍的添加操作一样:?

现在，新的 new 节点取代原来的 prev 节点，成为了 next 节点的新前驱节点，不过，因为这时 next 节点的 pre_entry_length 域编码的仍然是 prev 节点的长度，所以程序需要将 new 节点 的长度编码进 next 节点的 pre_entry_length 域里，这里会出现三种可能:

1. next 的 pre_entry_length 域的长度正好能够编码 new 的长度(都是 1 字节或者都是 5 字节)

2. next 的 pre_entry_length 只有 1 字节长，但编码 new 的长度需要 5 字节

3. next 的 pre_entry_length 有 5 字节长，但编码 new 的长度只需要 1 字节 对于情况 1 和 3 ，程序直接更新 next 的 pre_entry_length 域。

如果是第二种情况，那么程序必须对 ziplist 进行内存重分配，从而扩展 next 的空间。然而， 因为 next 的空间长度改变了，所以程序又必须检查 next 的后继节点——next+1 ，看它的 pre_entry_length 能否编码 next 的新长度，如果不能的话，程序又需要继续对 next+1 进行 扩容。。

这就是说，在某个/某些节点的前面添加新节点之后，程序必须沿着路径一个个检查后续的节 点是否满足新长度的编码要求，直到遇到一个能满足要求的节点(如果有一个能满足，那么这 个节点之后的其他节点也满足)，或者到达 ziplist 的末端 zlend 为止，这种检查操作的复杂度 为 O(N2) 。

不过，因为只有在新添加节点的后面有连续多个长度接近 254 的节点时，这种连锁更新才会发 生，所以可以普遍地认为，这种连锁更新发生的概率非常小，在一般情况下，将添加操作看成 是 O(N) 复杂度也是可以的。

执行完这三种情况的其中一种后，程序更新 ziplist 的各项属性，至此，添加操作完成。

Note: 在第三种情况中，程序实际上是可以执行类似于情况二的动作的:它可以一个个地检 查新节点之后的节点，尝试收缩它们的空间长度，不过 Redis 决定不这么做，因为在一些情况 下，比如前面提到的，有连续多个长度接近 254 的节点时，可能会出现重复的扩展——收缩 ——再扩展——再收缩的抖动(flapping)效果，这会让操作的性能变得非常差。

6、删除节点

删除节点和添加操作的步骤类似。

1) 定位目标节点，并计算节点的空间长度 target-size :

2) 进行内存移位，覆盖 target 原本的数据，然后通过内存重分配，收缩多余空间:?

3) 检查 next 、next+1 等后续节点能否满足新前驱节点的编码。和添加操作一样，删除操作也 可能会引起连锁更新。

7、遍历

可以对 ziplist 进行从前向后的遍历，或者从后先前的遍历。

当进行从前向后的遍历时，程序从指向节点 e1 的指针 p 开始，计算节点 e1 的长度(e1-size)， 然后将 p 加上 e1-size ，就将指针后移到了下一个节点 e2 。。一直这样做下去，直到 p 遇到 ZIPLIST_ENTRY_END 为止，这样整个 ziplist 就遍历完了:

当进行从后往前遍历的时候，程序从指向节点 eN 的指针 p 出发，取出 eN 的 pre_entry_length 值，然后用 p 减去 pre_entry_length ，这就将指针移动到了前一个节点 eN-1 。一直这样 做下去，直到 p 遇到 ZIPLIST_ENTRY_HEAD 为止，这样整个 ziplist 就遍历完了。

8、查找元素、根据值定位节点

这两个操作和遍历的原理基本相同，不再赘述。

二、小结

? ziplist 是由一系列特殊编码的内存块构成的列表，它可以保存字符数组或整数值，它还是哈希键、列表键和有序集合键的底层实现之一。 ? ziplist 典型分布结构如下:

? ziplist 节点的分布结构如下:?? 添加和删除 ziplist 节点有可能会引起连锁更新，因此，添加和删除操作的最坏复杂度为 O(N2) ，不过，因为连锁更新的出现概率并不高，所以一般可以将添加和删除操作的复 杂度视为 O(N) 。