Redis字典设计详解
Redis 是一个高性能的 key-value 内存数据库，与 Memcached 只能存储字符串数据类型不一样，它支持存储的数据结构类型包括：字符串（string）、链表（lists）、哈希表（hash）、集合（set）、有序集合（zset）等。
Redis 的高性能得益于其 I/O事件驱动 模型，当然本文并不是讨论 Redis 的所有知识点，下面主要介绍 Redis 的核心数据结构： 字典 的设计和实现。
哈希表介绍
Redis 本质上就是在字典上挂载着各种数据结构，我们先来看看 字典 这种数据结构。Redis 中 的 字典 其实是就是 哈希表（HashTable） ，我们来看看 哈希表 的定义：
哈希表（HashTable）是根据键值(Key)而直接进行访问的数据结构。也就是说，它通过把键值映射到表中一个位置来访问记录，以加快查找的速度。这个映射函数叫做散列函数，存放记录的数组叫做散列表。
先来看看 哈希表 数据结构的原理图：
上图比较清晰的描述了 哈希表 的原理，主要的步骤如下：
-
通过Hash函数把key映射到哈希表的某个位置
-
如果有不同的key被映射到同一个位置（冲突），采用拉链法（使用链表存储）来处理。
Redis字典介绍
Redis的字典基本遵从了哈希表的设计，当然在通用性和性能上改进了一些地方，下面我们来解释一下Redis字典的设计。
首先我们来看看在Redis中字典数据结构的定义：
typedef struct dictEntry {
void *key;
union {
void *val;
uint64_t u64;
int64_t s64;
double d;
} v;
struct dictEntry *next;
} dictEntry;
typedef struct dictht {
dictEntry **table;
unsigned long size;
unsigned long sizemask;
unsigned long used;
} dictht;
typedef struct dict {
dictType *type;
void *privdata;
dictht ht[2];
long rehashidx; /* rehashing not in progress if rehashidx == -1 */
unsigned long iterators; /* number of iterators currently running */
} dict;
我们通过下图来整理一下这几个结构体的关系：
在Redis中，字典是通过结构体 dict 来表示的，而 dict 结构又会引用 dictht 和 dictEntry 这些结构，下面介绍一下这些结构体的各个字段作用。
dict结构
-
type：是用户自定义的函数列表，主要用于插入数据到字典时进行的一些操作，比如计算key哈希值的hashFunction函数句柄。 -
privdata：创建字典时指定的私有数据，一般提供给type字段中的函数句柄使用。 -
ht[2]：类型为dictht结构的数组，这个数组有两个元素，而dictht结构主要用于保存数据，至于为什么需要两个dictht结构是因为rehash的需要。 -
rehashidx：rehash操作过程中最后一次处理的桶索引。 -
iterators：用于迭代字典中的数据。
dictht结构
-
table：类型为dictEntry结构指针的数组，用于保存数据，每个key-value的数据对通过类型为dictEntry的结构来存储。 -
size：table数组的大小。 -
sizemark：用于取模，得到一个0 ～ size的索引值。 -
used：表示字典中有多少个元素。
dictEntry结构
-
key：数据的键，主要用于查找数据。 -
v：数据的值，数据主要通过这个字段来存储。 -
next：用于解决Hash冲突，把冲突的key连接起来（拉链法）。
字典的创建
接下来分析啊一下在Redis中怎么创建一个字典，创建一个字典是通过 dictCreate() 函数来实现的：
dict *dictCreate(dictType *type,
void *privDataPtr)
{
dict *d = zmalloc(sizeof(*d));
_dictInit(d,type,privDataPtr);
return d;
}
int _dictInit(dict *d, dictType *type,
void *privDataPtr)
{
_dictReset(&d->ht[0]);
_dictReset(&d->ht[1]);
d->type = type;
d->privdata = privDataPtr;
d->rehashidx = -1;
d->iterators = 0;
return DICT_OK;
}
static void _dictReset(dictht *ht)
{
ht->table = NULL;
ht->size = 0;
ht->sizemask = 0;
ht->used = 0;
}
dictCreate() 函数申请了一个类型为 dict 的结构，然后通过调用 _dictInit() 函数对其进行初始化操作，总体过程比较简单。下面来看看在Redis中怎么创建一个字典的：
dictType commandTableDictType = {
dictSdsCaseHash, /* hash function */
NULL, /* key dup */
NULL, /* val dup */
dictSdsKeyCaseCompare, /* key compare */
dictSdsDestructor, /* key destructor */
NULL /* val destructor */
};
void initServerConfig(void) {
...
server.commands = dictCreate(&commandTableDictType,NULL);
...
}
创建字典时，需要提供类型为 dictType 的参数，这个参数主要定义了插入数据到字典时进行的一些操作，比如插入数据时key是否要进行复制的keyDup函数，我们来看看 dictType 的定义：
typedef struct dictType {
uint64_t (*hashFunction)(const void *key);
void *(*keyDup)(void *privdata, const void *key);
void *(*valDup)(void *privdata, const void *obj);
int (*keyCompare)(void *privdata, const void *key1, const void *key2);
void (*keyDestructor)(void *privdata, void *key);
void (*valDestructor)(void *privdata, void *obj);
} dictType;
dictType 结构的每个字段都是一个函数指针，下面说明一下各个字段的作用：
-
hashFunction：用于计算键的哈希值 -
keyDup：用于复制数据的键 -
valDup：用于复制数据的值 -
keyCompare：用于比较键是否相等 -
keyDestructor：用于释放复制出来的键的内存 -
valDestructor：用于释放复制出来的值的内存
插入数据到字典
插入数据到字典是通过 dictAdd() 函数实现的，代码如下：
int dictAdd(dict *d, void *key, void *val)
{
dictEntry *entry = dictAddRaw(d,key,NULL);
if (!entry) return DICT_ERR;
dictSetVal(d, entry, val);
return DICT_OK;
}
dictAdd() 函数主要还是通过调用 dictAddRaw() 函数来完成插入操作， dictAddRaw() 函数的代码如下：
dictEntry *dictAddRaw(dict *d, void *key, dictEntry **existing)
{
long index;
dictEntry *entry;
dictht *ht;
if (dictIsRehashing(d)) _dictRehashStep(d); // 如果需要rehash, 进行rehash操作
if ((index = _dictKeyIndex(d, key, dictHashKey(d,key), existing)) == -1)
return NULL;
ht = dictIsRehashing(d) ? &d->ht[1] : &d->ht[0];
entry = zmalloc(sizeof(*entry));
entry->next = ht->table[index];
ht->table[index] = entry;
ht->used++;
dictSetKey(d, entry, key);
return entry;
}
dictAddRaw() 函数主要完成以下几个工作：
-
判断是否正在进行rehash操作（
dictIsRehashing()判断为真），如果是就调用_dictRehashStep()函数进行rehash。 -
通过调用
_dictKeyIndex()函数计算key对应所在哈希表的位置（索引）index。 -
如果正在rehash，那么就使用ht数组的第二个哈希表，否则就用第一个（原因下面会说明）。
-
创建一个
dictEntry结构用于保存数据的键和值。
dictAddRaw() 函数会返回一个类型为 dictEntry 结构的值，然后 dictAdd() 函数通过调用 dictSetVal() 函数设置其值。
Rehash操作
当哈希表中的数据个数超过一定数量时，哈希冲突的链表过长，从而导致查询效率降低，这个时候就需要Rehash操作。Rehash操作是将哈希表的数组扩大，从而减少哈希冲突的比率。当然扩大哈希表的数组会导致之前的映射关系无效，所以需要把旧数据重新迁移到新的哈希表数组中。下面描述了Rehash的过程：
Redis在插入数据到字典时，会通过 _dictExpandIfNeeded() 函数来判断是否需要进行Rehash操作， _dictExpandIfNeeded() 函数代码如下：
static int _dictExpandIfNeeded(dict *d)
{
if (dictIsRehashing(d)) return DICT_OK;
if (d->ht[0].size == 0) return dictExpand(d, DICT_HT_INITIAL_SIZE);
if (d->ht[0].used >= d->ht[0].size &&
(dict_can_resize ||
d->ht[0].used/d->ht[0].size > dict_force_resize_ratio))
{
return dictExpand(d, d->ht[0].used*2);
}
return DICT_OK;
}
_dictExpandIfNeeded() 函数主要完成3个工作：
-
通过
dictIsRehashing()来判断字典是否正在Rehash操作，如果是就直接返回OK，不需要再进行Rehash。 -
如果字典的第一个哈希表的大小为0，表示需要对第一个哈希表进行初始化。
-
如果第一个哈希表的元素个数大于等于哈希表的大小，那么就对第一个哈希表进行Rehash操作（把哈希表的大小扩大为原来的2倍）。
进行Rehash操作通过调用 dictExpand() 函数来完成， dictExpand() 函数代码如下：
int dictExpand(dict *d, unsigned long size)
{
if (dictIsRehashing(d) || d->ht[0].used > size)
return DICT_ERR;
dictht n; /* the new hash table */
unsigned long realsize = _dictNextPower(size);
if (realsize == d->ht[0].size) return DICT_ERR;
n.size = realsize;
n.sizemask = realsize-1;
n.table = zcalloc(realsize*sizeof(dictEntry*));
n.used = 0;
if (d->ht[0].table == NULL) {
d->ht[0] = n;
return DICT_OK;
}
d->ht[1] = n;
d->rehashidx = 0;
return DICT_OK;
}
dictExpand() 函数比较简单，就是申请一个更大的哈希数组，如果第一个哈希表的哈希数组为空，那么就把第一个哈希表的哈希数组设置为新的哈希数组。否则将第二个哈希表的哈希数组设置为新的哈希数组。
这里有个问题，为什么需要两个哈希表呢？这是因为如果哈希表的元素个数比较多的时候Rehash一次的时间会比较长，这样就有可能导致阻塞Redis的服务。所以Redis通过对数据分批Rehash的方式来解决这个问题，也就是说把一次长耗时的操作分为多次短耗时的操作，这样就不会对Redis的服务造成太大的影响。而分批Rehash的关键就在于第二个哈希表。
从 dictExpand() 函数的实现来看，并没有在这里对数据进行Rehash操作，只是把哈希数组扩大2倍而已，那么Rehash操作在什么时候进行呢？对数据进行Rehash操作的触发点有很多个，如插入、删除和查找，当然最后都会调用 dictRehash() 函数来完成，我们来看看 dictRehash() 函数的实现：
int dictRehash(dict *d, int n) {
int empty_visits = n*10; /* Max number of empty buckets to visit. */
if (!dictIsRehashing(d)) return 0;
while(n-- && d->ht[0].used != 0) {
dictEntry *de, *nextde;
assert(d->ht[0].size > (unsigned long)d->rehashidx);
while(d->ht[0].table[d->rehashidx] == NULL) {
d->rehashidx++;
if (--empty_visits == 0) return 1;
}
de = d->ht[0].table[d->rehashidx];
while(de) {
uint64_t h;
nextde = de->next;
h = dictHashKey(d, de->key) & d->ht[1].sizemask;
de->next = d->ht[1].table[h];
d->ht[1].table[h] = de;
d->ht[0].used--;
d->ht[1].used++;
de = nextde;
}
d->ht[0].table[d->rehashidx] = NULL;
d->rehashidx++;
}
if (d->ht[0].used == 0) {
zfree(d->ht[0].table);
d->ht[0] = d->ht[1];
_dictReset(&d->ht[1]);
d->rehashidx = -1;
return 0;
}
return 1;
}
dictRehash() 函数的第二个参数是指定了每次要对多少个槽进行Rehash（也就是冲突链表），Rehash操作就是遍历第一个哈希表的所有数据，然后重新计算key的哈希值，保存到第二个哈希表中，并且从第一个哈希表中删除。当第一个哈希表的元素个数为0时，就将第一个哈希表替换成第二个哈希表，并且完成Rehash操作。
查找数据
要在字典中查找某个key的值通过 dictFind() 函数完成， dictFind() 函数代码如下：
dictEntry *dictFind(dict *d, const void *key)
{
dictEntry *he;
uint64_t h, idx, table;
if (d->ht[0].used + d->ht[1].used == 0) return NULL; /* 字典为空 */
if (dictIsRehashing(d)) _dictRehashStep(d); // 是否需要进行rehash操作
h = dictHashKey(d, key);
for (table = 0; table ht[table].sizemask;
he = d->ht[table].table[idx];
while(he) {
if (key==he->key || dictCompareKeys(d, key, he->key))
return he;
he = he->next;
}
if (!dictIsRehashing(d)) return NULL;
}
return NULL;
}
通过上面的介绍， dictFind() 函数的实现也比较容易理解，主要进行了如下操作：
-
如果字典为空（第一个和第二个哈希表都为空），那么就返回NULL。
-
如果正在进行Rehash操作，那么就调用
_dictRehashStep()对数据进行分批Rehash。 -
计算key的哈希值，并且先在第一个哈希表中查找是否存在，如果存在就返回key对应的值。
-
如果key不在第一个哈希表中，那么就要判断当前是否正在Rehash操作，如果是就在第二哈希表中查找key是否存在。因为在Rehash的过程中，key有可能被移动到第二个哈希表中。
总结
本文主要介绍了哈希表和Redis字典的设计与实现，Redis字典是对传统哈希表的一种扩展实现，能够减少Rehash操作对服务造成的阻塞。
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