Redis的list的底层原理

Redis的list的底层原理

今天我们来聊聊Redis中list数据结构的底层实现原理。想象一下我们日常生活中排队买奶茶的场景：

队伍可以不断有人加入（从队尾），也可以有人离开（从队头），甚至有时候会有VIP客户插队（从队头插入）。Redis的list就像这样一个灵活的队伍管理工具，它支持从两端快速插入和删除元素，这种特性使它在消息队列、最新消息排行等场景中非常有用。

在实际工作中，我们经常会使用Redis的list来实现简单的消息队列或者存储时间线数据。但你是否好奇过，为什么Redis的list能够如此高效地支持这些操作？今天，我们就一起来揭开它的神秘面纱。

一、Redis list的执行流程

理解了list的基本概念后，我们来看看Redis是如何实现list的各种操作的。Redis的list是一个双向链表结构，它支持从头部和尾部快速插入和删除元素，这种设计使得它的时间复杂度在大多数情况下都是O(1)。

当我们执行一个LPUSH命令向list头部插入元素时，Redis会经历以下步骤：

1. 首先检查键是否存在，如果不存在则创建一个新的list
2. 为新元素分配内存空间
3. 将新元素链接到现有list的头部
4. 更新list的长度计数器

类似地，RPUSH操作会在尾部插入元素，而LPOP和RPOP则分别从头部和尾部移除元素。Redis还提供了LRANGE命令来获取list的一个范围内的元素，这个操作的时间复杂度是O(N)，其中N是返回的元素数量。

小贴士：Redis的list操作命令非常丰富，除了基本的LPUSH/RPUSH/LPOP/RPOP外，还有BLPOP/BRPOP等阻塞版本，以及LINDEX、LINSERT等实用命令，大家可以根据实际需求选择合适的命令。

二、Redis list的技术原理

了解了基本操作流程后，我们深入探讨一下Redis list的底层实现原理。Redis的list并不是简单地使用一种数据结构实现的，而是根据数据量的大小和元素的特性，采用了两种不同的内部编码方式：ziplist和linkedlist。

在Redis 3.2版本之后，list的实现又引入了一个更高效的结构——quicklist，它实际上是ziplist和linkedlist的结合体，既保留了ziplist的高内存利用率，又具备linkedlist的操作灵活性。

1. ziplist结构

当list中元素数量较少且元素较小时，Redis会使用ziplist（压缩列表）来存储数据。ziplist是一块连续的内存空间，它通过特殊的编码方式存储多个元素，从而节省内存。

ziplist的结构如下：

+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
| zlbytes | zltail | zllen  | entry1 | entry2 | ...   | zlend  |
+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+

上述代码说明了ziplist的基本结构：

• zlbytes：整个ziplist占用的内存字节数
• zltail：到最后一个entry的偏移量
• zllen：entry的数量
• entry1…entryN：实际的列表元素
• zlend：结束标记

ziplist的优点是内存利用率高，因为它是连续存储的，不需要额外的指针开销。但是它的缺点是插入和删除操作可能需要移动大量数据，时间复杂度是O(N)。

2. linkedlist结构

当list中的元素数量较多或者元素较大时，Redis会转换为linkedlist（双向链表）结构。linkedlist由多个listNode节点组成，每个节点包含指向前驱和后继的指针，以及存储实际值的指针。

linkedlist的结构如下：

typedef struct listNode {struct listNode *prev;struct listNode *next;void *value;
} listNode;typedef struct list {listNode *head;listNode *tail;unsigned long len;// ...其他字段省略
} list;

上述代码展示了Redis中linkedlist的实现方式。考虑到实际应用中需要频繁的头部和尾部操作，Redis使用了双向链表结构，因此能达到O(1)时间复杂度的头部和尾部插入删除操作。

3. quicklist结构

Redis 3.2版本引入了quicklist作为list的默认实现，它是对ziplist和linkedlist的折中方案。quicklist是一个由ziplist组成的双向链表，每个节点都是一个ziplist。

quicklist的结构如下：

typedef struct quicklistNode {struct quicklistNode *prev;struct quicklistNode *next;unsigned char *zl;           // 指向ziplist的指针unsigned int sz;             // ziplist的字节大小unsigned int count : 16;     // ziplist中的元素个数// ...其他字段省略
} quicklistNode;typedef struct quicklist {quicklistNode *head;quicklistNode *tail;unsigned long count;        // 所有ziplist中元素的总数unsigned long len;         // quicklistNode的数量// ...其他字段省略
} quicklist;

上述代码说明了quicklist的基本结构。quicklist通过将多个ziplist用双向链表连接起来，既保留了ziplist的内存优势，又避免了单个ziplist过大导致的性能问题。

quicklistNode 是 quicklist 的节点，每个 quicklistNode 包含：一个 ziplist（压缩列表, 该 ziplist 的大小信息, 前后节点的指针

在实际应用中，我建议大家可以尝试使用Redis 3.2及以上版本，因为quicklist的实现通常能提供更好的性能和内存利用率。如果你真的遇到性能问题，不妨调整一下list-max-ziplist-size参数，找到最适合你应用场景的配置。

三、Redis list的编码转换

理解了各种底层结构后，我们来看看Redis是如何在不同编码之间进行转换的。Redis会根据list的当前状态和配置参数自动选择合适的编码方式。

Redis的配置文件中通常会有以下相关参数：

# list-max-ziplist-size -2
# list-compress-depth 0

list-max-ziplist-size参数决定了单个ziplist能存储的最大元素数量或字节大小。当超过这个限制时，Redis会将ziplist转换为linkedlist（在Redis 3.2之前）或创建新的quicklist节点（在Redis 3.2之后）。

list-compress-depth参数控制quicklist两端不被压缩的节点数。例如，设置为1表示头节点和尾节点不压缩，中间的节点会被压缩。

编码转换的触发条件主要包括：

1. 向ziplist插入元素导致其大小超过list-max-ziplist-size限制
2. 执行某些操作（如LINSERT）导致ziplist不再满足效率要求
3. Redis在后台定期检查并优化数据结构

四、Redis list的应用场景

通过前面的讨论，相信大家对Redis list的底层实现有了清晰的认识。现在，我们来看看它在实际工作中的应用场景。

1. 消息队列：使用LPUSH/RPOP组合可以实现简单的FIFO队列，而使用LPUSH/LPOP可以实现栈结构。

# 生产者
LPUSH message_queue "task1"
# 消费者
RPOP message_queue

2. 最新消息列表：使用LPUSH和LTRIM可以轻松实现固定长度的最新消息列表。

# 添加新消息
LPUSH latest_news "news1"
# 保持只保留100条最新消息
LTRIM latest_news 0 99

3. 阻塞队列：使用BLPOP/BRPOP可以实现阻塞式的消息队列，当队列为空时消费者会阻塞等待。

4. 分页查询：使用LRANGE命令可以方便地实现分页功能。

通过我的观察，我发现很多问题都可以通过Redis list解决。我通常是这样做的：对于需要保证顺序且需要快速访问两端的数据，优先考虑使用Redis list。但要注意，如果需要随机访问中间元素（通过LINDEX），性能会比较差，因为时间复杂度是O(N)。

五、总结与最佳实践

让我们总结一下今天讨论的内容：

1. Redis的list支持高效的头部和尾部操作，时间复杂度通常是O(1)
2. 底层实现经历了从ziplist/linkedlist到quicklist的演进
3. quicklist结合了ziplist和linkedlist的优点，是Redis 3.2+的默认实现
4. 编码转换由配置参数和实际使用情况自动触发
5. 适用于消息队列、最新消息列表等场景

在实际使用中，我建议大家可以遵循以下最佳实践：

• 根据数据特点合理配置list-max-ziplist-size参数
• 避免频繁使用LINDEX等需要遍历list的操作
• 对于大型list，考虑使用LTRIM限制其大小
• 在需要严格顺序的场景下优先选择list

通过今天的分享，希望能帮助大家更好地理解和使用Redis的list数据结构。记住，理解底层原理不仅能帮助我们更好地使用工具，还能在遇到问题时更快地找到解决方案。

文章目录结构总结

为了方便大家回顾，以下是本文的目录结构：

1. 开篇：通过生活场景引入Redis list的概念
2. Redis list的执行流程：基本操作的时间复杂度分析
3. Redis list的技术原理：详细讲解ziplist、linkedlist和quicklist三种实现
4. Redis list的编码转换：自动转换机制和配置参数
5. Redis list的应用场景：消息队列、最新消息列表等实际用例
6. 总结与最佳实践：使用建议和性能考量

欢迎随时交流，一起分享使用Redis的经验。让我们共同进步，不断探索新技术！