Redis中的sdshdr的len和alloc那块的知识点详解

我们用一个非常形象的比喻和几个实际的例子，来彻底搞懂 len 和 alloc 这两个概念。

核心比喻：一个可以伸缩的水瓶

想象一下，Redis 的一个字符串（SDS）就是一个“智能水瓶”，而 sdshdr 就是瓶身上的刻度标签。

• len (length): 代表瓶子里当前装了多少水。这是字符串的实际、有效长度。
• alloc (allocation): 代表这个瓶子的最大容量。这是系统为这个字符串总共分配了多大的内存空间（不含头部和末尾的 \0）。
• 空闲空间 (free space): alloc - len，就代表瓶子里还能装多少水，也就是预留的空闲内存。

关键点：瓶子的容量 (alloc) 永远大于或等于瓶子里的水量 (len)。

这个设计的核心目的，就是避免频繁地“换瓶子”。因为“换瓶子”（内存重分配）是一个非常耗时的操作。如果每次只加一滴水，你都要去找一个大小刚刚好的新瓶子，效率会非常低下。

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场景一：创建一个新字符串

当你执行 SET mykey "hello" 时，Redis 创建了一个 SDS 字符串。

• 字符串 “hello” 的长度是 5。
• Redis 内部会创建一个 sdshdr 和一块内存来存放它。假设它选择 sdshdr8 类型（头部占3字节）。
• 为了效率，它可能不会只分配刚刚好的5字节，但我们为了简化，先假设它就是这么做的。

内存状态：

• len = 5 (瓶里有5个单位的水)
• alloc = 5 (瓶子总容量是5)
• 内存布局大致如下：

  [sdshdr8: len=5, alloc=5] ['h','e','l','l','o','\0']
  

  此时，空闲空间 alloc - len 为 0。瓶子是满的。

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场景二：追加字符串（触发“空间预分配”）

现在，我们来追加内容，执行 APPEND mykey " world"。

1. 检查空间：

   • 要追加的字符串 " world" 长度为 6。
   • API 首先检查空闲空间：alloc(5) - len(5) = 0。
   • 0 < 6，空间不够！需要“换个大瓶子”（重新分配内存）。

2. 执行空间预分配（The Magic）：

   • 新的字符串总长度将是 len(5) + 6 = 11。
   • Redis 不会只分配 11 字节的新空间，它会想：“你既然开始追加了，很可能等下还会再追加。”
   • 于是它启动空间预分配策略：新分配的容量 alloc 会是 新长度的两倍 (在字符串总长小于1MB时)。
   • 新的 alloc = 11 * 2 = 22。
   • Redis 会申请一块能容纳 22 个字符的新内存空间，并把旧内容 “hello” 和新内容 " world" 拷贝进去。

内存状态更新：

• len = 11 (现在瓶里有11个单位的水)
• alloc = 22 (但瓶子的总容量是22！)
• 内存布局大致如下：

  [sdshdr16: len=11, alloc=22] ['h','e','l','l','o',' ','w','o','r','l','d','\0', ...11 bytes free... ]<---- len = 11 ----> <---- free = 11 ----><----------------- alloc = 22 ----------------->
  

  现在，alloc(22) - len(11) = 11，我们有 11 个字节的空闲空间。

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场景三：再次追加字符串（利用空闲空间）

我们继续追加，执行 APPEND mykey "!!!"。

1. 检查空间：

   • 要追加的 “!!!” 长度为 3。
   • API 检查空闲空间：alloc(22) - len(11) = 11。
   • 11 >= 3，空间足够！不需要重新分配内存！

2. 原地修改：

   • 直接在 buf 的末尾把 “!!!” 写进去。
   • 只更新头部的 len 字段。

内存状态更新：

• len = 11 + 3 = 14 (水变多了)
• alloc = 22 (瓶子还是那个瓶子，容量没变)
• 内存布局大致如下：

  [sdshdr16: len=14, alloc=22] ['h','e','l','l','o',' ','w','o','r','l','d','!','!','!','\0', ...8 bytes free... ]<------ len = 14 ------> <---- free = 8 ----><------------------- alloc = 22 ------------------->
  

  这个操作非常快，因为它避免了最耗时的内存分配和数据拷贝。

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场景四：缩短字符串（惰性空间释放）

现在，我们把这个 key 的值改成一个很短的字符串，执行 SET mykey "Hi"。

• Redis 会直接用 “Hi” 覆盖掉 buf 开头的内容。
• 然后，它只会更新 len 字段。

内存状态更新：

• len = 2 (水变得很少)
• alloc = 22 (但瓶子还是那个大瓶子！)
• 内存布局大致如下：

  [sdshdr16: len=2, alloc=22] ['H','i','\0','l','o',' ','w','o','r','l','d', ...garbage data..., ...free space... ]<len=2> <----------------- free = 20 -----------------><------------------- alloc = 22 ------------------->
  

• 这被称为惰性空间释放。Redis 不会立即把多余的 20 字节空间还给操作系统。它会保留这些空间，因为你可能马上又会执行 APPEND 操作，这样就又可以利用上这些预留空间了。

总结

len 和 alloc 的设计哲学，是典型的用空间换时间的思想。

• len 提供了 $O(1)$ 时间复杂度的长度获取能力，并且是二进制安全的基础。
• alloc 配合空间预分配和惰性释放策略，极大地减少了内存重分配的次数，这是 Redis 字符串追加（APPEND）操作如此高效的关键所在。它将多次可能发生的、耗时的内存操作，均摊到了一次操作中。