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Redis底层数据结构深度解析（基于Redis 7.2.5）

本文深入剖析Redis核心数据类型的底层实现机制，涵盖String、Hash、List、Set、Zset的实现原理及版本演进差异。

一、Redis数据存储核心机制

Redis所有数据以redisObject结构统一封装：

typedef struct redisObject {unsigned type:4;      // 数据类型（string, hash等）unsigned encoding:4;  // 底层编码（int, embstr等）unsigned lru:LRU_BITS; // 缓存淘汰策略信息int refcount;         // 引用计数void *ptr;            // 指向实际数据的指针
} robj;

• 查看指令：
  • TYPE key：返回数据类型
  • OBJECT ENCODING key：查看底层编码

二、String类型底层结构

三种编码方式：

1. int编码
   • 条件：值为整数字符串（可转为long）
   • 特点：ptr直接存储整数值（省去指针开销）
2. embstr编码
   • 条件：字符串长度 ≤ 44字节
   • 特点：内存连续分配，RedisObject与SDS共享内存
3. raw编码
   • 条件：字符串长度 > 44字节
   • 特点：RedisObject与SDS分离存储

SDS（Simple Dynamic String）

动态字符串结构，解决C字符串缺陷：

struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr8 {uint8_t len;         // 已用长度uint8_t alloc;       // 总空间unsigned char flags; // 类型标识char buf[];          // 数据存储
};

优势：

• O(1)复杂度获取长度
• 二进制安全（允许存储\0）
• 预分配减少内存重分配

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三、Hash类型底层结构

编码切换规则：

条件	编码方式
所有键值对数量 ≤ hash-max-listpack-entries (默认512) 且 所有值长度 ≤ hash-max-listpack-value (默认64字节)	listpack
任一条件不满足	hashtable

Listpack（替代Redis6的ziplist）

连续内存结构解决ziplist连锁更新问题：

字段	说明
total-bytes (4B)	总字节数
num-elements (2B)	元素数量
entry (变长)	数据节点（每个键值对）
end-byte (1B)	结束标识(0xFF)

节点结构：

[编码类型][数据长度][实际数据]

→ 无需记录前驱节点长度，避免连锁更新

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四、List类型底层结构

编码规则：

• listpack编码：元素少且长度小
• quicklist编码：元素多或长度大（默认切换阈值：list-max-listpack-size = -2 即8KB）

Quicklist结构

双向链表 + Listpack的复合结构：

typedef struct quicklist {quicklistNode *head;quicklistNode *tail;unsigned long count;     // 总元素数unsigned long len;       // 节点数...
} quicklist;typedef struct quicklistNode {struct quicklistNode *prev;struct quicklistNode *next;unsigned char *entry;    // 指向listpacksize_t sz;               // listpack字节大小...
} quicklistNode;

优势：

• 链表结构：高效增删（O(1)）
• Listpack节点：内存连续，减少碎片

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五、Set类型底层结构

编码切换规则：

条件	编码方式
元素全为整数 & 元素数量 ≤ set-max-intset-entries (默认512)	intset
元素数量 ≤ set-max-listpack-entries (默认128) 且 所有元素长度 ≤ set-max-listpack-value (默认64字节)	listpack
任一条件不满足	hashtable

Intset整数集合

typedef struct intset {uint32_t encoding;  // 编码方式（int16/int32/int64）uint32_t length;    // 元素数量int8_t contents[];  // 数据存储
} intset;

特点：元素有序存储，二分查找效率高

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六、Zset类型底层结构

编码切换规则：

条件	编码方式
元素数量 ≤ zset-max-listpack-entries (默认128) 且 所有值长度 ≤ zset-max-listpack-value (默认64字节)	listpack
任一条件不满足	skiplist

Skiplist跳表

多层索引结构实现高效查找：

typedef struct zskiplistNode {sds ele;                         // 元素值double score;                    // 分值struct zskiplistNode *backward;  // 后退指针struct zskiplistLevel {struct zskiplistNode *forward; // 前进指针unsigned long span;          // 跨度} level[];                       // 层级数组
} zskiplistNode;

性能：

• 查询/插入/删除：平均O(logN)
• 空间复杂度：O(N)

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七、Redis版本数据结构对比

数据类型	Redis 6	Redis 7
string	SDS	SDS
hash	ziplist + hashtable	listpack + hashtable
list	quicklist + ziplist	quicklist + listpack
set	intset + hashtable	intset + listpack + hashtable
zset	ziplist + skiplist	listpack + skiplist

关键演进：Redis 7使用listpack全面替代ziplist，彻底解决连锁更新问题。

附：Redis高性能核心要素

1. 精细化数据结构：针对场景选择最优编码
2. 内存连续存储：SDS/listpack利用CPU缓存
3. 惰性删除：异步释放避免阻塞
4. 单线程模型：无锁操作减少竞争
5. IO多路复用：epoll/kqueue高效网络处理