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探索Redis设计与实现8：连接底层与表面的数据结构robj

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本文是微信公众号【Java技术江湖】的《探索redis设计与实现》其中一篇，本文部分内容来源于网络，为了把本文主题讲得清晰透彻，也整合了很多我认为不错的技术博客内容，引用其中了一些比较好的博客文章，如有侵权，请联系作者。

该系列博文会告诉你如何从入门到进阶，Redis基本的使用方法，Redis的基本数据结构，以及一些进阶的使用方法，同时也需要进一步了解Redis的底层数据结构，再接着，还会带来Redis主从复制、集群、分布式锁等方面的相关内容，以及作为缓存的一些使用方法和注意事项，以便让你更完整地了解整个Redis相关的技术体系，形成自己的知识框架。

如果对本系列文章有什么建议，或者是有什么疑问的话，也可以关注公众号【Java技术江湖】联系作者，欢迎你参与本系列博文的创作和修订。

本文是《 Redis内部数据结构详解》系列的第三篇，讲述在Redis实现中的一个基础数据结构：robj。

那到底什么是robj呢？它有什么用呢？

从Redis的使用者的角度来看，一个Redis节点包含多个database（非cluster模式下默认是16个，cluster模式下只能是1个），而一个database维护了从key space到object space的映射关系。这个映射关系的key是string类型，而value可以是多种数据类型，比如：string, list, hash等。我们可以看到，key的类型固定是string，而value可能的类型是多个。

而从Redis内部实现的角度来看，在前面第一篇文章中，我们已经提到过，一个database内的这个映射关系是用一个dict来维护的。dict的key固定用一种数据结构来表达就够了，这就是动态字符串sds。而value则比较复杂，为了在同一个dict内能够存储不同类型的value，这就需要一个通用的数据结构，这个通用的数据结构就是robj（全名是redisObject）。举个例子：如果value是一个list，那么它的内部存储结构是一个quicklist（quicklist的具体实现我们放在后面的文章讨论）；如果value是一个string，那么它的内部存储结构一般情况下是一个sds。当然实际情况更复杂一点，比如一个string类型的value，如果它的值是一个数字，那么Redis内部还会把它转成long型来存储，从而减小内存使用。而一个robj既能表示一个sds，也能表示一个quicklist，甚至还能表示一个long型。

robj的数据结构定义

在server.h中我们找到跟robj定义相关的代码，如下（注意，本系列文章中的代码片段全部来源于Redis源码的3.2分支）：

/* Object types */
#define OBJ_STRING 0
#define OBJ_LIST 1
#define OBJ_SET 2
#define OBJ_ZSET 3
#define OBJ_HASH 4
/* Objects encoding. Some kind of objects like Strings and Hashes can be
 * internally represented in multiple ways. The 'encoding' field of the object
 * is set to one of this fields for this object. */
#define OBJ_ENCODING_RAW 0     /* Raw representation */
#define OBJ_ENCODING_INT 1     /* Encoded as integer */
#define OBJ_ENCODING_HT 2      /* Encoded as hash table */
#define OBJ_ENCODING_ZIPMAP 3  /* Encoded as zipmap */
#define OBJ_ENCODING_LINKEDLIST 4 /* Encoded as regular linked list */
#define OBJ_ENCODING_ZIPLIST 5 /* Encoded as ziplist */
#define OBJ_ENCODING_INTSET 6  /* Encoded as intset */
#define OBJ_ENCODING_SKIPLIST 7  /* Encoded as skiplist */
#define OBJ_ENCODING_EMBSTR 8  /* Embedded sds string encoding */
#define OBJ_ENCODING_QUICKLIST 9 /* Encoded as linked list of ziplists */
#define LRU_BITS 24
typedef struct redisObject {
    unsigned type:4;
    unsigned encoding:4;
    unsigned lru:LRU_BITS; /* lru time (relative to server.lruclock) */
    int refcount;
    void *ptr;
} robj;

一个robj包含如下5个字段：

  • type: 对象的数据类型。占4个bit。可能的取值有5种：OBJ_STRING, OBJ_LIST, OBJ_SET, OBJ_ZSET, OBJ_HASH，分别对应Redis对外暴露的5种数据结构（即我们在第一篇文章中提到的第一个层面的5种数据结构）。
  • encoding: 对象的内部表示方式（也可以称为编码）。占4个bit。可能的取值有10种，即前面代码中的10个OBJ_ENCODING_XXX常量。
  • lru: 做LRU替换算法用，占24个bit。这个不是我们这里讨论的重点，暂时忽略。
  • refcount: 引用计数。它允许robj对象在某些情况下被共享。
  • ptr: 数据指针。指向真正的数据。比如，一个代表string的robj，它的ptr可能指向一个sds结构；一个代表list的robj，它的ptr可能指向一个quicklist。

这里特别需要仔细察看的是encoding字段。对于同一个type，还可能对应不同的encoding，这说明同样的一个数据类型，可能存在不同的内部表示方式。而不同的内部表示，在内存占用和查找性能上会有所不同。

比如，当type = OBJ_STRING的时候，表示这个robj存储的是一个string，这时encoding可以是下面3种中的一种：

  • OBJ_ENCODING_RAW: string采用原生的表示方式，即用sds来表示。
  • OBJ_ENCODING_INT: string采用数字的表示方式，实际上是一个long型。
  • OBJ_ENCODING_EMBSTR: string采用一种特殊的嵌入式的sds来表示。接下来我们会讨论到这个细节。

再举一个例子：当type = OBJ_HASH的时候，表示这个robj存储的是一个hash，这时encoding可以是下面2种中的一种：

  • OBJ_ENCODING_HT: hash采用一个dict来表示。
  • OBJ_ENCODING_ZIPLIST: hash采用一个ziplist来表示（ziplist的具体实现我们放在后面的文章讨论）。

本文剩余主要部分将针对表示string的robj对象，围绕它的3种不同的encoding来深入讨论。前面代码段中出现的所有10种encoding，在这里我们先简单解释一下，在这个系列后面的文章中，我们应该还有机会碰到它们。

  • OBJ_ENCODING_RAW: 最原生的表示方式。其实只有string类型才会用这个encoding值（表示成sds）。
  • OBJ_ENCODING_INT: 表示成数字。实际用long表示。
  • OBJ_ENCODING_HT: 表示成dict。
  • OBJ_ENCODING_ZIPMAP: 是个旧的表示方式，已不再用。在小于Redis 2.6的版本中才有。
  • OBJ_ENCODING_LINKEDLIST: 也是个旧的表示方式，已不再用。
  • OBJ_ENCODING_ZIPLIST: 表示成ziplist。
  • OBJ_ENCODING_INTSET: 表示成intset。用于set数据结构。
  • OBJ_ENCODING_SKIPLIST: 表示成skiplist。用于sorted set数据结构。
  • OBJ_ENCODING_EMBSTR: 表示成一种特殊的嵌入式的sds。
  • OBJ_ENCODING_QUICKLIST: 表示成quicklist。用于list数据结构。

我们来总结一下robj的作用：

  • 为多种数据类型提供一种统一的表示方式。
  • 允许同一类型的数据采用不同的内部表示，从而在某些情况下尽量节省内存。
  • 支持对象共享和引用计数。当对象被共享的时候，只占用一份内存拷贝，进一步节省内存。
string robj的编码过程

当我们执行Redis的set命令的时候，Redis首先将接收到的value值（string类型）表示成一个type = OBJ_STRING并且encoding = OBJ_ENCODING_RAW的robj对象，然后在存入内部存储之前先执行一个编码过程，试图将它表示成另一种更节省内存的encoding方式。这一过程的核心代码，是object.c中的tryObjectEncoding函数。

robj *tryObjectEncoding(robj *o) {
    long value;
    sds s = o->ptr;
    size_t len;
    /* Make sure this is a string object, the only type we encode
     * in this function. Other types use encoded memory efficient
     * representations but are handled by the commands implementing
     * the type. */
    serverAssertWithInfo(NULL,o,o->type == OBJ_STRING);
    /* We try some specialized encoding only for objects that are
     * RAW or EMBSTR encoded, in other words objects that are still
     * in represented by an actually array of chars. */
    if (!sdsEncodedObject(o)) return o;
    /* It's not safe to encode shared objects: shared objects can be shared
     * everywhere in the "object space" of Redis and may end in places where
     * they are not handled. We handle them only as values in the keyspace. */
     if (o->refcount > 1) return o;
    /* Check if we can represent this string as a long integer.
     * Note that we are sure that a string larger than 21 chars is not
     * representable as a 32 nor 64 bit integer. */
    len = sdslen(s);
    if (len <= 21 && string2l(s,len,&value)) {
        /* This object is encodable as a long. Try to use a shared object.
         * Note that we avoid using shared integers when maxmemory is used
         * because every object needs to have a private LRU field for the LRU
         * algorithm to work well. */
        if ((server.maxmemory == 0 ||
             (server.maxmemory_policy != MAXMEMORY_VOLATILE_LRU &&
              server.maxmemory_policy != MAXMEMORY_ALLKEYS_LRU)) &&
            value >= 0 &&
            value < OBJ_SHARED_INTEGERS)
        {
            decrRefCount(o);
            incrRefCount(shared.integers[value]);
            return shared.integers[value];
        } else {
            if (o->encoding == OBJ_ENCODING_RAW) sdsfree(o->ptr);
            o->encoding = OBJ_ENCODING_INT;
            o->ptr = (void*) value;
            return o;
        }
    }
    /* If the string is small and is still RAW encoded,
     * try the EMBSTR encoding which is more efficient.
     * In this representation the object and the SDS string are allocated
     * in the same chunk of memory to save space and cache misses. */
    if (len <= OBJ_ENCODING_EMBSTR_SIZE_LIMIT) {
        robj *emb;
        if (o->encoding == OBJ_ENCODING_EMBSTR) return o;
        emb = createEmbeddedStringObject(s,sdslen(s));
        decrRefCount(o);
        return emb;
    }
    /* We can't encode the object...
     *
     * Do the last try, and at least optimize the SDS string inside
     * the string object to require little space, in case there
     * is more than 10% of free space at the end of the SDS string.
     *
     * We do that only for relatively large strings as this branch
     * is only entered if the length of the string is greater than
     * OBJ_ENCODING_EMBSTR_SIZE_LIMIT. */
    if (o->encoding == OBJ_ENCODING_RAW &&
        sdsavail(s) > len/10)
    {
        o->ptr = sdsRemoveFreeSpace(o->ptr);
    }
    /* Return the original object. */
    return o;
}

这段代码执行的操作比较复杂，我们有必要仔细看一下每一步的操作：

  • 第1步检查，检查type。确保只对string类型的对象进行操作。
  • 第2步检查，检查encoding。sdsEncodedObject是定义在server.h中的一个宏，确保只对OBJ_ENCODING_RAW和OBJ_ENCODING_EMBSTR编码的string对象进行操作。这两种编码的string都采用sds来存储，可以尝试进一步编码处理。
#define sdsEncodedObject(objptr) (objptr->encoding == OBJ_ENCODING_RAW || objptr->encoding == OBJ_ENCODING_EMBSTR)
  • 第3步检查，检查refcount。引用计数大于1的共享对象，在多处被引用。由于编码过程结束后robj的对象指针可能会变化（我们在前一篇介绍sdscatlen函数的时候提到过类似这种接口使用模式），这样对于引用计数大于1的对象，就需要更新所有地方的引用，这不容易做到。因此，对于计数大于1的对象不做编码处理。
  • 试图将字符串转成64位的long。64位的long所能表达的数据范围是-2^63到2^63-1，用十进制表达出来最长是20位数（包括负号）。这里判断小于等于21，似乎是写多了，实际判断小于等于20就够了（如果我算错了请一定告诉我哦）。string2l如果将字符串转成long转成功了，那么会返回1并且将转好的long存到value变量里。
  • 在转成long成功时，又分为两种情况。
    • 第一种情况：如果Redis的配置不要求运行LRU替换算法，且转成的long型数字的值又比较小（小于OBJ_SHARED_INTEGERS，在目前的实现中这个值是10000），那么会使用共享数字对象来表示。之所以这里的判断跟LRU有关，是因为LRU算法要求每个robj有不同的lru字段值，所以用了LRU就不能共享robj。shared.integers是一个长度为10000的数组，里面预存了10000个小的数字对象。这些小数字对象都是encoding = OBJ_ENCODING_INT的string robj对象。
    • 第二种情况：如果前一步不能使用共享小对象来表示，那么将原来的robj编码成encoding = OBJ_ENCODING_INT，这时ptr字段直接存成这个long型的值。注意ptr字段本来是一个void *指针（即存储的是内存地址），因此在64位机器上有64位宽度，正好能存储一个64位的long型值。这样，除了robj本身之外，它就不再需要额外的内存空间来存储字符串值。
  • 接下来是对于那些不能转成64位long的字符串进行处理。最后再做两步处理：
    • 如果字符串长度足够小（小于等于OBJ_ENCODING_EMBSTR_SIZE_LIMIT，定义为44），那么调用createEmbeddedStringObject编码成encoding = OBJ_ENCODING_EMBSTR；
    • 如果前面所有的编码尝试都没有成功（仍然是OBJ_ENCODING_RAW），且sds里空余字节过多，那么做最后一次努力，调用sds的sdsRemoveFreeSpace接口来释放空余字节。

其中调用的createEmbeddedStringObject，我们有必要看一下它的代码：

robj *createEmbeddedStringObject(const char *ptr, size_t len) {
    robj *o = zmalloc(sizeof(robj)+sizeof(struct sdshdr8)+len+1);
    struct sdshdr8 *sh = (void*)(o+1);
    o->type = OBJ_STRING;
    o->encoding = OBJ_ENCODING_EMBSTR;
    o->ptr = sh+1;
    o->refcount = 1;
    o->lru = LRU_CLOCK();
    sh->len = len;
    sh->alloc = len;
    sh->flags = SDS_TYPE_8;
    if (ptr) {
        memcpy(sh->buf,ptr,len);
        sh->buf[len] = '\0';
    } else {
        memset(sh->buf,0,len+1);
    }
    return o;
}

createEmbeddedStringObject对sds重新分配内存，将robj和sds放在一个连续的内存块中分配，这样对于短字符串的存储有利于减少内存碎片。这个连续的内存块包含如下几部分：

  • 16个字节的robj结构。
  • 3个字节的sdshdr8头。
  • 最多44个字节的sds字符数组。
  • 1个NULL结束符。

加起来一共不超过64字节（16+3+44+1），因此这样的一个短字符串可以完全分配在一个64字节长度的内存块中。

string robj的解码过程

当我们需要获取字符串的值，比如执行get命令的时候，我们需要执行与前面讲的编码过程相反的操作——解码。

这一解码过程的核心代码，是object.c中的getDecodedObject函数。

robj *getDecodedObject(robj *o) {
    robj *dec;
    if (sdsEncodedObject(o)) {
        incrRefCount(o);
        return o;
    }
    if (o->type == OBJ_STRING && o->encoding == OBJ_ENCODING_INT) {
        char buf[32];
        ll2string(buf,32,(long)o->ptr);
        dec = createStringObject(buf,strlen(buf));
        return dec;
    } else {
        serverPanic("Unknown encoding type");
    }
}

这个过程比较简单，需要我们注意的点有：

  • 编码为OBJ_ENCODING_RAW和OBJ_ENCODING_EMBSTR的字符串robj对象，不做变化，原封不动返回。站在使用者的角度，这两种编码没有什么区别，内部都是封装的sds。

  • 编码为数字的字符串robj对象，将long重新转为十进制字符串的形式，然后调用createStringObject转为sds的表示。注意：这里由long转成的sds字符串长度肯定不超过20，而根据createStringObject的实现，它们肯定会被编码成OBJ_ENCODING_EMBSTR的对象。createStringObject的代码如下：

    robj createStringObject(const char ptr, size_t len) {

    if (len <= OBJ_ENCODING_EMBSTR_SIZE_LIMIT)
    return createEmbeddedStringObject(ptr,len);
else
    return createRawStringObject(ptr,len);

    }

再谈sds与string的关系

在上一篇文章中，我们简单地提到了sds与string的关系；在本文介绍了robj的概念之后，我们重新总结一下sds与string的关系。

  • 确切地说，string在Redis中是用一个robj来表示的。
  • 用来表示string的robj可能编码成3种内部表示：OBJ_ENCODING_RAW, OBJ_ENCODING_EMBSTR, OBJ_ENCODING_INT。其中前两种编码使用的是sds来存储，最后一种OBJ_ENCODING_INT编码直接把string存成了long型。
  • 在对string进行incr, decr等操作的时候，如果它内部是OBJ_ENCODING_INT编码，那么可以直接进行加减操作；如果它内部是OBJ_ENCODING_RAW或OBJ_ENCODING_EMBSTR编码，那么Redis会先试图把sds存储的字符串转成long型，如果能转成功，再进行加减操作。
  • 对一个内部表示成long型的string执行append, setbit, getrange这些命令，针对的仍然是string的值（即十进制表示的字符串），而不是针对内部表示的long型进行操作。比如字符串”32”，如果按照字符数组来解释，它包含两个字符，它们的ASCII码分别是0x33和0x32。当我们执行命令setbit key 7 0的时候，相当于把字符0x33变成了0x32，这样字符串的值就变成了”22”。而如果将字符串”32”按照内部的64位long型来解释，那么它是0x0000000000000020，在这个基础上执行setbit位操作，结果就完全不对了。因此，在这些命令的实现中，会把long型先转成字符串再进行相应的操作。由于篇幅原因，这三个命令的实现代码这里就不详细介绍了，有兴趣的读者可以参考Redis源码：
    • t_string.c中的appendCommand函数；
    • biops.c中的setbitCommand函数；
    • t_string.c中的getrangeCommand函数。

值得一提的是，append和setbit命令的实现中，都会最终调用到db.c中的dbUnshareStringValue函数，将string对象的内部编码转成OBJ_ENCODING_RAW的（只有这种编码的robj对象，其内部的sds 才能在后面自由追加新的内容），并解除可能存在的对象共享状态。这里面调用了前面提到的getDecodedObject。

robj *dbUnshareStringValue(redisDb *db, robj *key, robj *o) {
    serverAssert(o->type == OBJ_STRING);
    if (o->refcount != 1 || o->encoding != OBJ_ENCODING_RAW) {
        robj *decoded = getDecodedObject(o);
        o = createRawStringObject(decoded->ptr, sdslen(decoded->ptr));
        decrRefCount(decoded);
        dbOverwrite(db,key,o);
    }
    return o;
}
robj的引用计数操作

将robj的引用计数加1和减1的操作，定义在object.c中：

void incrRefCount(robj *o) {
    o->refcount++;
}
void decrRefCount(robj *o) {
    if (o->refcount <= 0) serverPanic("decrRefCount against refcount <= 0");
    if (o->refcount == 1) {
        switch(o->type) {
        case OBJ_STRING: freeStringObject(o); break;
        case OBJ_LIST: freeListObject(o); break;
        case OBJ_SET: freeSetObject(o); break;
        case OBJ_ZSET: freeZsetObject(o); break;
        case OBJ_HASH: freeHashObject(o); break;
        default: serverPanic("Unknown object type"); break;
        }
        zfree(o);
    } else {
        o->refcount--;
    }
}

我们特别关注一下将引用计数减1的操作decrRefCount。如果只剩下最后一个引用了（refcount已经是1了），那么在decrRefCount被调用后，整个robj将被释放。

注意：Redis的del命令就依赖decrRefCount操作将value释放掉。

经过了本文的讨论，我们很容易看出，robj所表示的就是Redis对外暴露的第一层面的数据结构：string, list, hash, set, sorted set，而每一种数据结构的底层实现所对应的是哪个（或哪些）第二层面的数据结构（dict, sds, ziplist, quicklist, skiplist, 等），则通过不同的encoding来区分。可以说，robj是联结两个层面的数据结构的桥梁。

本文详细介绍了OBJ_STRING类型的字符串对象的底层实现，其编码和解码过程在Redis里非常重要，应用广泛，我们在后面的讨论中可能还会遇到。现在有了robj的概念基础，我们下一篇会讨论ziplist，以及它与hash的关系。

后记(追加于2016-07-09): 本文在解析“将string编码成long型”的代码时提到的判断21字节的问题，后来已经提交给 @antirez并合并进了unstable分支，详见 commit f648c5a。


当前题目：探索Redis设计与实现8：连接底层与表面的数据结构robj
链接URL：http://hbruida.cn/article/ipcseo.html

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