Redis源码剖析--快速列表quicklist

RedisObject这一篇博客中,有介绍到list结构的底层编码类型有OBJ_ENCODING_QUICKLIST,当时就发现这个底层数据结构被我遗漏了。昨天花了点时间补了补这个知识,看完发现这货就跟STL中的deque的思想一样,顿时觉得又是一个实现超级繁琐但很实用的数据结构。今天就带大家一起来看看这个“二合一”的数据结构。

quicklist是Redis在3.2版本加入的新数据结构,其是list列表的底层数据结构。

quicklist简介

为什么说quicklist是“二合一”呢?如果你看过STL中的deque的实现,就会知道deque是由一个map中控器和一个数组组成的数据结构,它既具有链表头尾插入便捷的优点,又有数组连续内存存储,支持下标访问的优点。Redis中是采用sdlist和ziplist来实现quicklist的,其中sdlist充当map中控器的作用,ziplist充当占用连续内存空间数组的作用。quicklist本身是一个双向无环链表,它的每一个节点都是一个ziplist。为什么这么设计呢?

  • 双向链表在插入节点上复杂度很低,但它的内存开销很大,每个节点的地址不连续,容易产生内存碎片。
  • ziplist是存储在一段连续的内存上,存储效率高,但是它不利于修改操作,插入和删除数都很麻烦,复杂度高,而且其需要频繁的申请释放内存,特别是ziplist中数据较多的情况下,搬移内存数据太费时!

Redis综合了双向链表和ziplist的优点,设计了quicklist这个数据结构,使它作为list键的底层实现。接下来,就要考虑每一个ziplist中存放的元素个数。

  • 如果每一个ziplist中的元素个数过少,内存碎片就会增多。可以按照极端情况双向链表来考虑。
  • 如果每一个ziplist中的元素个数过多,那么ziplist分配大块连续内存空间的难度就增大,同样会影响效率。

Redis的配置文件中,给出了每个ziplist中的元素个数设定,考虑使用场景需求,我们可以选择不同的元素个数。该参数设置格式如下:

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list-max-ziplist-size -2

后面的数字可正可负,正、负代表不同函数,其中,如果参数为正,表示按照数据项个数来限定每个节点中的元素个数,比如3代表每个节点中存放的元素个数不能超过3;反之,如果参数为负,表示按照字节数来限定每个节点中的元素个数,它只能取-1~-5这五个数,其含义如下:

  • -1 每个节点的ziplist字节大小不能超过4kb
  • -2 每个节点的ziplist字节大小不能超过8kb
  • -3 每个节点的ziplist字节大小不能超过16kb
  • -4 每个节点的ziplist字节大小不能超过32kb
  • -5 每个节点的ziplist字节大小不能超过64kb

另外,在quicklist的源码中提到了一个LZF的压缩算法,该算法用于对quicklist的节点进行压缩操作。list的设计目的是能够存放很长的数据列表,当列表很长时,必然会占用很高的内存空间,且list中最容易访问的是两端的数据,中间的数据访问率较低,于是就可以从这个出发点来进一步节省内存用于其他操作。Redis提供了一下的配置参数,用于表示中间节点是否压缩。

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list-compress-depth 0

参数list-compress-depth的取值和含义对应如下:

  • 0 特殊值,表示不压缩
  • 1 表示quicklist两端各有一个节点不压缩,中间的节点压缩
  • 2 表示quicklist两端各有两个节点不压缩,中间的节点压缩
  • 3 表示quicklist两端各有三个节点不压缩,中间的节点压缩
  • 以此类推。

quicklist的数据结构

quicklist的数据结构定义在quicklist.c文件中。

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typedef struct quicklist {
quicklistNode *head; // 指向quicklist的头部
quicklistNode *tail; // 指向quicklist的尾部
unsigned long count; // 列表中所有数据项的个数总和
unsigned int len; // quicklist节点的个数,即ziplist的个数
int fill : 16; // ziplist大小限定,由list-max-ziplist-size给定
unsigned int compress : 16; // 节点压缩深度设置,由list-compress-depth给定
} quicklist;

每个quicklist结构占用32个字节的空间,下面来看看quicklist节点的数据结构。

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typedef struct quicklistNode {
struct quicklistNode *prev; // 指向上一个ziplist节点
struct quicklistNode *next; // 指向下一个ziplist节点
unsigned char *zl; // 数据指针,如果没有被压缩,就指向ziplist结构,反之指向quicklistLZF结构
unsigned int sz; // 表示指向ziplist结构的总长度(内存占用长度)
unsigned int count : 16; // 表示ziplist中的数据项个数
unsigned int encoding : 2; // 编码方式,1--ziplist,2--quicklistLZF
unsigned int container : 2; // 预留字段,存放数据的方式,1--NONE,2--ziplist
unsigned int recompress : 1; // 解压标记,当查看一个被压缩的数据时,需要暂时解压,标记此参数为1,之后再重新进行压缩
unsigned int attempted_compress : 1; // 测试相关
unsigned int extra : 10; // 扩展字段,暂时没用
} quicklistNode;

每个quicklistnode也占用32个字节,上面介绍了,每个节点的数据存放格式有ziplist和quicklistLZF,后者是一种采用LZF压缩算法压缩的数据结构,其定义如下:

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typedef struct quicklistLZF {
unsigned int sz; // LZF压缩后占用的字节数
char compressed[]; // 柔性数组,指向数据部分
} quicklistLZF;

分析到这里,quicklist的大体结构以及呈现在我们面前了,请看下图,是不是豁然开朗:

quicklist

另外,quicklist还提供了迭代器结构以及指向ziplist中的节点结构

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// quicklist的迭代器结构
typedef struct quicklistIter {
const quicklist *quicklist; // 指向所在quicklist的指针
quicklistNode *current; // 指向当前节点的指针
unsigned char *zi; // 指向当前节点的ziplist
long offset; // 当前ziplist中的偏移地址
int direction; // 迭代器的方向
} quicklistIter;
// 表示quicklist节点中ziplist里的一个节点结构
typedef struct quicklistEntry {
const quicklist *quicklist; // 指向所在quicklist的指针
quicklistNode *node; // 指向当前节点的指针
unsigned char *zi; // 指向当前节点的ziplist
unsigned char *value; // 当前指向的ziplist中的节点的字符串值
long long longval; // 当前指向的ziplist中的节点的整型值
unsigned int sz; // 当前指向的ziplist中的节点的字节大小
int offset; // 当前指向的ziplist中的节点相对于ziplist的偏移量
} quicklistEntry;

quicklist基本接口

Redis为每一个底层数据结构都提供了丰富的接口,以供上层数据结构调用,quicklist也不例外。为了篇幅不会过长,本博客仅仅剖析一下部分关键的接口的实现。

创建quicklist及其节点

创建一个quicklist需要为其设定各种参数,其由quicklistCreate函数实现。

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quicklist *quicklistCreate(void) {
struct quicklist *quicklist; // 声明指针
quicklist = zmalloc(sizeof(*quicklist)); // 分配内存
quicklist->head = quicklist->tail = NULL; // 设定头尾指针
quicklist->len = 0; // 设定长度
quicklist->count = 0; // 设定数据项总和
quicklist->compress = 0; // 设定压缩深度
quicklist->fill = -2; // 设定ziplist大小限定
return quicklist;
}

创建完quicklist,接下来就是创建一个quicklist节点。

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REDIS_STATIC quicklistNode *quicklistCreateNode(void) {
quicklistNode *node;
node = zmalloc(sizeof(*node)); // 申请内存
node->zl = NULL; // 初始化指向ziplist的指针
node->count = 0; // 初始化数据项个数
node->sz = 0; // 初始化ziplist大小
node->next = node->prev = NULL; // 初始化prev和next指针
node->encoding = QUICKLIST_NODE_ENCODING_RAW; // 初始化节点编码方式
node->container = QUICKLIST_NODE_CONTAINER_ZIPLIST; // 初始化存放数据的方式
node->recompress = 0; // 初始化再压缩标记
return node;
}

PUSH操作

quicklist最重要的操作就是首尾插入节点,此操作由quicklistPush函数实现。PUSH操作不管是头部还是尾部压入都包含两个步骤:

  • 如果插入节点中的ziplist大小没有超过限制(list-max-ziplist-size),那么直接调用ziplistPush函数压入
  • 如果插入节点中的ziplist大小超过了限制,则新建一个quicklist节点(自然会创建一个新的ziplist),新的数据项会压入到新的ziplist,新的quicklist节点插入到原有的quicklist上
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// push操作,需要判断是头部插入还是尾部插入
void quicklistPush(quicklist *quicklist, void *value, const size_t sz,
int where) {
if (where == QUICKLIST_HEAD) {
quicklistPushHead(quicklist, value, sz);
} else if (where == QUICKLIST_TAIL) {
quicklistPushTail(quicklist, value, sz);
}
}
// 将新的数据项push到头部
int quicklistPushHead(quicklist *quicklist, void *value, size_t sz) {
quicklistNode *orig_head = quicklist->head;
// likely()是linux提供给程序员的编译优化方法
// 目的是将“分支转移”的信息提供给编译器,这样编译器可以对代码进行优化,以减少指令跳转带来的性能下降
// 此处表示节点没有满发生的概率比较大,也就是数据项直接插入到当前节点的可能性大,
// likely()属于编译器级别的优化
if (likely(
// 判断该头部节点是否允许插入,计算头部节点中的大小和fill参数设置的大小相比较
_quicklistNodeAllowInsert(quicklist->head, quicklist->fill, sz))) {
// 执行到此,说明允许插入,直接调用ziplistpush插入节点即可
quicklist->head->zl =
ziplistPush(quicklist->head->zl, value, sz, ZIPLIST_HEAD);
// 更新头部大小
quicklistNodeUpdateSz(quicklist->head);
} else {
// 执行到此,说明头部节点已经满了,需要重新创建一个节点
quicklistNode *node = quicklistCreateNode();
// 将新节点压入新创建的ziplist中,并与新创建的quicklist节点关联起来
node->zl = ziplistPush(ziplistNew(), value, sz, ZIPLIST_HEAD);
// 更新大小
quicklistNodeUpdateSz(node);
// 将新创建的quicklist节点关联到quicklist中
_quicklistInsertNodeBefore(quicklist, quicklist->head, node);
}
// 更新total数据项个数
quicklist->count++;
// 更新头结点的数据项个数
quicklist->head->count++;
// 如果尾部quicklist节点指针没变,返回0;
// 反之返回1
return (orig_head != quicklist->head);
}
// 将新数据项push到尾部
int quicklistPushTail(quicklist *quicklist, void *value, size_t sz) {
quicklistNode *orig_tail = quicklist->tail;
if (likely(
// 判断该尾部节点是否允许插入,计算尾部节点中的大小和fill参数设置的大小相比较
_quicklistNodeAllowInsert(quicklist->tail, quicklist->fill, sz))) {
// 执行到此,说明允许插入,直接调用ziplistpush插入节点即可
quicklist->tail->zl =
// 将新数据项push到ziplist的尾部
ziplistPush(quicklist->tail->zl, value, sz, ZIPLIST_TAIL);
// 更新尾部节点大小
quicklistNodeUpdateSz(quicklist->tail);
} else {
// 执行到此,说明尾部节点已经满了,需要重新创建一个节点
quicklistNode *node = quicklistCreateNode();
// 创建一个新的ziplist,并将新数据项插入,然后与新创建的quicklist节点关联起来
node->zl = ziplistPush(ziplistNew(), value, sz, ZIPLIST_TAIL);
// 更新该quicklist节点的大小
quicklistNodeUpdateSz(node);
// 将新创建的quicklist与quicklist关联起来
_quicklistInsertNodeAfter(quicklist, quicklist->tail, node);
}
// 更新quicklist的数据项个数
quicklist->count++;
// 更新尾部节点的数据项个数
quicklist->tail->count++;
// 如果尾部quicklist节点指针没变,返回0;
// 反之返回1
return (orig_tail != quicklist->tail);
}

POP操作

与PUSH操作对应的是POP操作,POP操作可以弹出首尾节点。

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// 接口函数,执行POP操作
// 执行成功返回1,反之0
// 如果弹出节点是字符串值,data,sz存放弹出节点的字符串值
// 如果弹出节点是整型值,slong存放弹出节点的整型值
int quicklistPop(quicklist *quicklist, int where, unsigned char **data,
unsigned int *sz, long long *slong) {
unsigned char *vstr;
unsigned int vlen;
long long vlong;
// 没有数据项,直接返回
if (quicklist->count == 0)
return 0;
// 调用底层实现函数
// 传入的_quicklistSaver是一个函数指针,用于深拷贝节点的值,用于返回
int ret = quicklistPopCustom(quicklist, where, &vstr, &vlen, &vlong,
_quicklistSaver);
// 给data,sz,slong赋值
if (data)
*data = vstr;
if (slong)
*slong = vlong;
if (sz)
*sz = vlen;
return ret;
}
// pop操作的底层实现函数
// 执行成功返回1,反之0
// 如果弹出节点是字符串值,data,sz存放弹出节点的字符串值
// 如果弹出节点是整型值,slong存放弹出节点的整型值
int quicklistPopCustom(quicklist *quicklist, int where, unsigned char **data,
unsigned int *sz, long long *sval,
void *(*saver)(unsigned char *data, unsigned int sz)) {
unsigned char *p;
unsigned char *vstr;
unsigned int vlen;
long long vlong;
// 判断弹出位置,首部或者尾部
int pos = (where == QUICKLIST_HEAD) ? 0 : -1;
// 没有数据
if (quicklist->count == 0)
return 0;
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if (data)
*data = NULL;
if (sz)
*sz = 0;
if (sval)
*sval = -123456789;
// 获取quicklist节点
quicklistNode *node;
if (where == QUICKLIST_HEAD && quicklist->head) {
node = quicklist->head;
} else if (where == QUICKLIST_TAIL && quicklist->tail) {
node = quicklist->tail;
} else {
return 0;
}
// 获取ziplist中的节点
p = ziplistIndex(node->zl, pos);
// 获取该节点的值
if (ziplistGet(p, &vstr, &vlen, &vlong)) {
// 如果是字符串值
if (vstr) {
if (data)
// _quicklistSaver函数用于深拷贝取出返回值
*data = saver(vstr, vlen);
if (sz)
*sz = vlen; // 字符串的长度
} else {
// 如果存放的是整型值
if (data)
*data = NULL; // 字符串设为NULL
if (sval)
*sval = vlong; // 弹出节点的整型值
}
// 删除该节点
quicklistDelIndex(quicklist, node, &p);
return 1;
}
return 0;
}
// 返回一个字符串副本,深拷贝
// 这里深拷贝的用意是避免二次释放
REDIS_STATIC void *_quicklistSaver(unsigned char *data, unsigned int sz) {
unsigned char *vstr;
if (data) {
vstr = zmalloc(sz);
memcpy(vstr, data, sz);
return vstr;
}
return NULL;
}

其他接口函数

Redis关于quicklist还提供了很多接口函数,这里只罗列出接口,没有具体实现。

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// 在quicklist尾部追加指针zl指向的ziplist
void quicklistAppendZiplist(quicklist *quicklist, unsigned char *zl);
// 将ziplist数据转换成quicklist
quicklist *quicklistCreateFromZiplist(int fill, int compress,
unsigned char *zl);
// 在node节点后添加一个值valiue
void quicklistInsertAfter(quicklist *quicklist, quicklistEntry *node,
void *value, const size_t sz);
// 在node节点前面添加一个值value
void quicklistInsertBefore(quicklist *quicklist, quicklistEntry *node,
void *value, const size_t sz);
// 删除ziplist节点entry
void quicklistDelEntry(quicklistIter *iter, quicklistEntry *entry);
// 翻转quicklist
void quicklistRotate(quicklist *quicklist);
// 返回quicklist列表中所有数据项的个数总和
unsigned int quicklistCount(quicklist *ql);
// 比较两个quicklist结构数据
int quicklistCompare(unsigned char *p1, unsigned char *p2, int p2_len);
// 从节点node中取出LZF压缩编码后的数据
size_t quicklistGetLzf(const quicklistNode *node, void **data);

quicklist小结

quicklist将sdlist和ziplist两者的优点结合起来,在时间和空间上做了一个均衡,能较大程度上提高Redis的效率。压入和弹出操作的时间复杂度都很理想。在源码中,还给出了很多接口函数,有兴趣的读者可以去quicklist.c文件中查看,如果对博客中的讲述觉得有问题的,可以在下方留言,多多交流,互相学习!

文章作者: Zeech
文章链接: https://zcheng.ren/2016/12/19/TheAnnotatedRedisSourceQuicklist/
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