Redis 数据结构的底层实现—字符串、哈希表、列表、集合
Redis 的键（key）查找机制基于哈希表实现。常用的数据结构有字符串、哈希表、列表、集合及有序集合。
| 字符串 | String，键和值可以是字符串或二进制数据。 |
| 哈希表 | Hash，类似Java的HashMap。 |
| 列表 | List，线性结构。可以按照元素被推入列表中的顺序来存储。 |
| 集合 | Set，存储不重复的元素。无序。 |
| 有序集合 | Sorted Set，每个元素由一个成员和分值组成。根据分值排序，分数不重复。 |
表 Redis 常用的5种数据结构
1 字符串 String
底层结构: SDS（Simple Dynamic String,简单动态字符串）。
struct sdshdr {
int len; // 已使用的字节长度
int alloc; // 总分配的字节长度
char buf[]; // 实际存储字符的字节数组
}SDS具有以下优势：
1.减少内存重分配次数。
空间预分配，当SDS需要扩容时，会额外预分配alloc的冗余空间。
惰性空间释放，缩短字符串时，不会立即释放多余空间。
2.二进制安全。
C字符串以\0作为结尾标识符，无法存储包含\0的二进制数据。而SDS根据len及buf[]来读取数据。
3.兼容部分C字符串函数。
SDS的buf数组仍以\0结尾。
2 哈希表 Hash
有两种结构：ziplist（压缩列表）与hashtable（哈希表）。
ziplist -> hashtable（redis不支持逆转）转换触发条件：
- hash-max-ziplist-entires(默认512)，字段数量。
- hash-max-ziplist-value(默认64字节)，所有字段和值的最大长度。
| ziplist | 是一种紧凑的，连续内存块结构。插入字段及对应值时，将它们作为两个新节点追加到ziplist尾部。查找及插入的时间复杂度为0(n)。 |
| hashtable | 查找和插入的时间复杂度为O(1),适合大规模数据。 |
表 哈希表的底层结构ziplist与hashtable的对比
2.1 哈希表的渐进式Rehash
Rehash 是指对哈希表的大小进行扩展或收缩。为避免Rehash对服务器性能造成影响，服务器会分多次、渐进式地将ht[0](原哈希表)里所有的键值迁移到ht[1]中。步骤如下：
- 初始化新哈希表ht[1]，设置rehashidx=0。
- 逐步迁移数据。从ht[0].table[rehashidx]迁移整个桶（链条上所有的节点）到ht[1],rehashidx++,指向下一个待迁移的桶。
- 操作兼容。在rehash期间，插入直接写入ht[1];删除/查找/更新操作，先在ht[0]中查找，若未找到，则继续在ht[1]中查找；若某个桶正在迁移，对该桶的访问会短暂阻塞，直到迁移完成。
- 完成迁移，rehashix=-1,ht[0]情况，将ht[1] 设置为ht[0]。
3 列表 List
底层结构：quicklist。快速列表时一个由多个ziplist节点双向连接的链表。每个ziplist节点称为quicklistNode。
头部/尾部插入O(1):若头/尾节点的ziplist未满，直接插入到ziplist中，若已满，创建新的quicklistNode，插入元素后链接到链表头部/尾部。
中间插入O(n):需要遍历定位到具体位置。可能触发ziplist分裂和内存重分配。
list-max-ziplist-size参照控制ziplist的元素数量。
3.1 内存大小优化—压缩
对离头尾节点一定深度（list-compress-depth）的ziplist进行压缩，来减少内存占用。
将ziplist的原始数据通过LZF算法压缩，压缩后的数据替换原ziplist，更新quicklistNode.encoding为LZF。
读操作：如果encoding为LZF，则触发解压，生成临时ziplist，标记recompress=1（后续需要重新压缩）。
写操作：若recompress=1，再次调用LZF压缩。
4 集合 Set
有两种结构：intset 与hashtable。
intset -> hashtable 触发条件：
- 插入的元素不是整数。
- 元素数量超过set-max-intset-entires(默认512)。
intset是一个有序的整数数组，查找的时间复杂度为O(logn)。
hashtable 中每个entry的key字段存储Set的成员，value字段固定为null。
5 有序集合 Sorted Set
有两种结构：ziplist 与 skip list + hashtable。
ziplist -> skip list + hashtable 触发条件：
- 元素数量大于zset-max-ziplist-entires(默认128)。
- 元素字节长度大于zset-max-ziplist-value(默认64字节)。
ziplist: 以连续内存块存储成员和分数，第一个节点保存成员，第二个节点保存成员的分值。从小到大进行排序。复杂度O(n)。
skip list + hashtable : 哈希表存储的是元素key为元素，value为分值，作用是通过成员直接查找分数。复杂度O(log n)。