今天来分析Redis的一个基本数据结构–双端链表,其定义和实现主要在sdlist.h和sdlist.c文件中。其主要用在实现列表键、事务模块保存输入命令和服务器模块,订阅模块保存多个客户端等。

sdlist的数据结构

Redis为双端链表的每一个节点定义了如下的结构体。

// 链表节点定义
typedef struct listNode {
    struct listNode *prev;  // 指向前一个节点
    struct listNode *next;  // 指向后一个节点
    void *value; // 节点值
} listNode;

与一般的双端链表无异,定义了链表节点的结构体之后,下面就定义链表的结构体,用来方便管理链表节点,其结构体定义如下:

typedef struct list {
    listNode *head;  // 指向链表头节点
    listNode *tail;  // 指向链表尾节点
    void *(*dup)(void *ptr); // 自定义节点值复制函数
    void (*free)(void *ptr); // 自定义节点值释放函数
    int (*match)(void *ptr, void *key); // 自定义节点值匹配函数
    unsigned long len; // 链表长度
} list;

Redis在实现链表的时候,定义其为双端无环链表,其示意图如下:

此外,Redis对其结构体提供了一系列的宏定义函数,方便操作其结构体参数

#define listLength(l) ((l)->len)  // 获取list长度
#define listFirst(l) ((l)->head)  // 获取list头节点指针
#define listLast(l) ((l)->tail)   // 获取list尾节点指针
#define listPrevNode(n) ((n)->prev)  // 获取当前节点前一个节点
#define listNextNode(n) ((n)->next)  // 获取当前节点后一个节点
#define listNodeValue(n) ((n)->value) // 获取当前节点的值

#define listSetDupMethod(l,m) ((l)->dup = (m))  // 设定节点值复制函数
#define listSetFreeMethod(l,m) ((l)->free = (m))  // 设定节点值释放函数
#define listSetMatchMethod(l,m) ((l)->match = (m))  // 设定节点值匹配函数

#define listGetDupMethod(l) ((l)->dup) // 获取节点值赋值函数
#define listGetFree(l) ((l)->free)  // 获取节点值释放函数
#define listGetMatchMethod(l) ((l)->match)  // 获取节点值匹配函数

sdlist迭代器结构

Redis为sdlist定义了一个迭代器结构,其能正序和逆序的访问list结构。

typedef struct listIter {
    listNode *next; // 指向下一个节点
    int direction; // 方向参数,正序和逆序
} listIter;

对于direction参数,Redis提供了两个宏定义

#define AL_START_HEAD 0  // 从头到尾
#define AL_START_TAIL 1  // 从尾到头

sdlist基本操作

sdlist创建

sdlist提供了listCreate函数来创建一个空的链表。

list *listCreate(void)
{
    struct list *list; // 定义一个链表指针

    if ((list = zmalloc(sizeof(*list))) == NULL) // 申请内存
        return NULL; 
    list->head = list->tail = NULL;  // 空链表的头指针和尾指针均为空
    list->len = 0;  // 设定长度
    list->dup = NULL;    // 自定义复制函数初始化
    list->free = NULL;   // 自定义释放函数初始化
    list->match = NULL;  // 自定义匹配函数初始化
    return list;
}

sdlist释放

sdlist提供了listRelease函数来释放整个链表

void listRelease(list *list)
{
    unsigned long len;
    listNode *current, *next;

    current = list->head;
    len = list->len;
    while(len--) {
        next = current->next;
        // 如果定义了节点值释放函数,需要调用
        if (list->free) list->free(current->value);
        zfree(current);  // 释放当前节点
        current = next;
    }
    zfree(list);  // 释放链表头
}

插入节点

sdlist提供了三个函数来完成向list中插入一个节点的功能。

向头部插入节点

// 该函数向list的头部插入一个节点
list *listAddNodeHead(list *list, void *value)
{
    listNode *node;

    if ((node = zmalloc(sizeof(*node))) == NULL)
        return NULL;
    node->value = value;
    if (list->len == 0) { // 如果链表为空
        list->head = list->tail = node;
        node->prev = node->next = NULL;
    } else {  // 如果链表非空
        node->prev = NULL;
        node->next = list->head;
        list->head->prev = node;
        list->head = node;
    }
    list->len++;  // 长度+1
    return list;
}

向尾部添加节点

// 该函数可以在list的尾部添加一个节点
list *listAddNodeTail(list *list, void *value)
{
    listNode *node;

    if ((node = zmalloc(sizeof(*node))) == NULL)
        return NULL;
    node->value = value;
    if (list->len == 0) { // 如果链表为空
        list->head = list->tail = node;
        node->prev = node->next = NULL;
    } else {  // 如果链表非空
        node->prev = list->tail;
        node->next = NULL;
        list->tail->next = node;
        list->tail = node;
    }
    list->len++;  // 长度+1
    return list;
}

向任意位置插入节点

// 向任意位置插入节点
// 其中,old_node为插入位置
//      value为插入节点的值
//      after为0时表示插在old_node前面,为1时表示插在old_node后面
list *listInsertNode(list *list, listNode *old_node, void *value, int after) {
    listNode *node;

    if ((node = zmalloc(sizeof(*node))) == NULL)
        return NULL;
    node->value = value;
    if (after) { // 向后插入
        node->prev = old_node;
        node->next = old_node->next;
        // 如果old_node为尾节点的话需要改变tail
        if (list->tail == old_node) {
            list->tail = node;
        }
    } else {  // 向前插入
        node->next = old_node;
        node->prev = old_node->prev;
        // 如果old_node为头节点的话需要改变head
        if (list->head == old_node) {
            list->head = node;
        }
    }
    if (node->prev != NULL) {
        node->prev->next = node;
    }
    if (node->next != NULL) {
        node->next->prev = node;
    }
    list->len++;
    return list;
}

删除节点

void listDelNode(list *list, listNode *node)
{
    if (node->prev) // 删除节点不为头节点
        node->prev->next = node->next;
    else // 删除节点为头节点需要改变head的指向
        list->head = node->next;
    if (node->next)  // 删除节点不为尾节点
        node->next->prev = node->prev;
    else // 删除节点为尾节点需要改变tail的指向
        list->tail = node->prev;
    if (list->free) list->free(node->value); // 释放节点值
    zfree(node);  // 释放节点
    list->len--;
}

迭代器相关操作

sdlist为其迭代器提供了一些操作,用来完成获取迭代器,释放迭代器,重置迭代器,获取下一个迭代器等操作,具体源码见如下分析。

获取迭代器

listIter *listGetIterator(list *list, int direction)
{
    listIter *iter;  // 声明迭代器

    if ((iter = zmalloc(sizeof(*iter))) == NULL) return NULL;
    // 根据迭代方向来初始化iter
    if (direction == AL_START_HEAD)
        iter->next = list->head;
    else
        iter->next = list->tail;
    iter->direction = direction;
    return iter;
}

释放迭代器

void listReleaseIterator(listIter *iter) {
    zfree(iter); // 直接调用zfree来释放
}

重置迭代器

重置迭代器分为两种,一种是重置正向迭代器,一种是重置为逆向迭代器

// 重置为正向迭代器
void listRewind(list *list, listIter *li) {
    li->next = list->head;
    li->direction = AL_START_HEAD;
}
// 重置为逆向迭代器
void listRewindTail(list *list, listIter *li) {
    li->next = list->tail;
    li->direction = AL_START_TAIL;
}

获取下一个迭代器

// 根据direction属性来获取下一个迭代器
listNode *listNext(listIter *iter)
{
    listNode *current = iter->next;

    if (current != NULL) {
        if (iter->direction == AL_START_HEAD)
            iter->next = current->next;
        else
            iter->next = current->prev;
    }
    return current;
}

链表复制函数

sdlist提供了listDup函数,用于复制整个链表。

list *listDup(list *orig)
{
    list *copy;
    listIter iter;
    listNode *node;

    if ((copy = listCreate()) == NULL)
        return NULL;
    // 复制节点值操作函数
    copy->dup = orig->dup;
    copy->free = orig->free;
    copy->match = orig->match;
    // 重置迭代器
    listRewind(orig, &iter);
    while((node = listNext(&iter)) != NULL) {
        void *value;
        // 复制节点
        // 如果定义了dup函数,则按照dup函数来复制节点值
        if (copy->dup) {
            value = copy->dup(node->value);
            if (value == NULL) {
                listRelease(copy);
                return NULL;
            }
        } else // 如果没有则直接赋值
            value = node->value;
        // 依次向尾部添加节点
        if (listAddNodeTail(copy, value) == NULL) {
            listRelease(copy);
            return NULL;
        }
    }
    return copy;
}

查找函数

sdlist提供了两种查找函数。其一是根据给定节点值,在链表中查找该节点

listNode *listSearchKey(list *list, void *key)
{
    listIter iter;
    listNode *node;

    listRewind(list, &iter);
    while((node = listNext(&iter)) != NULL) {
        if (list->match) { // 如果定义了match匹配函数,则利用该函数进行节点匹配
            if (list->match(node->value, key)) {
                return node;
            }
        } else { // 如果没有定义match,则直接比较节点值
            if (key == node->value) { // 找到该节点
                return node;
            }
        }
    }
    // 没有找到就返回NULL
    return NULL;
}

其二是根据序号来查找节点

listNode *listIndex(list *list, long index) {
    listNode *n;

    if (index < 0) {  // 序号为负,则倒序查找
        index = (-index)-1;
        n = list->tail;
        while(index-- && n) n = n->prev;
    } else { // 正序查找
        n = list->head;
        while(index-- && n) n = n->next;
    }
    return n;
}

链表旋转函数

旋转操作其实就是讲表尾节点移除,然后插入到表头,成为新的表头

void listRotate(list *list) {
    listNode *tail = list->tail;

    if (listLength(list) <= 1) return;

    // 取出表尾指针
    list->tail = tail->prev;
    list->tail->next = NULL;
    // 将其移动到表头并成为新的表头指针
    list->head->prev = tail;
    tail->prev = NULL;
    tail->next = list->head;
    list->head = tail;
}

sdlist小结

分析完sdlist的源码,着实是把双向链表的基本操作都复习了一遍,Redis的作者还真是喜欢造轮子,不愧是轮子界的鼻祖啊!虽然这些基本操作很简单,但是可以学到一些优秀的设计,例如:sdlist迭代器的设计等,这些都对理解Redis的相关操作有着很大的帮助作用。